天文學家長期以來一直想知道地球是如何變得富含水的——擁有豐富的深海、寒冷的冰川和傾盆大雨從天空傾瀉到湖泊、河流和溼地中。水是由宇宙中第一和第三大常見元素組成的，是一種看似簡單的分子。然而，雖然水輸送到像我們地球這樣的岩石行星的細節對於理解宇宙生命普遍性可能至關重要，但它們仍然大多未知。
水是複雜有機分子組裝的有效介質，併為我們所知的生命的出現和後續進化提供了避風港。在地球深處，它確保了岩石圈的潤滑，防止氣候穩定的板塊構造停止運轉——這可能是生命至關重要的另一種機制。當冰凍成冰時，它透過提供幫助年輕世界成長的粘合劑，在行星形成中發揮著關鍵作用。因此，科學家們渴望更好地理解水的行星遷徙——水將乾涸的岩石轉變為像地球一樣溼潤的世界所採取的路徑。
為了獲得更多見解，天文學家正在利用詹姆斯·韋伯太空望遠鏡 (JWST) 來窺探原行星盤：年輕恆星周圍的氣體和塵埃漩渦，行星今天正在其中積極形成。雖然天文學家以前曾在這樣的星盤中瞥見過水，但他們的視野一直很模糊。例如，水蒸氣對於阿塔卡瑪大型毫米/亞毫米波陣列 (ALMA) 是可見的——在許多方面是地球上最強大的射電天文臺——但該設施在很大程度上無法探測到水冰。這阻止了 ALMA 對原行星盤外圍區域的仔細觀察。該陣列也無法深入探測類地天體形成的熱內盤區域。另一方面，JWST 的設計考慮了此類研究，並且真正打開了閘門。新的太空天文臺正在以前所未有的視野展示水如何從恆星形成的巨型分子云傳遞到原行星盤，最終到達行星——這對天體生物學具有重大意義，包括我們這個充滿水的世界是否在某種程度上是特殊的還是普遍的。
支援科學新聞業
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞業 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保關於塑造我們今天世界的發現和想法的有影響力的故事的未來。
德克薩斯州立大學研究原行星盤的天文學家安德烈亞·班扎蒂說：“有了 JWST，就像突然間你戴上新眼鏡一樣，它們給你帶來了更清晰的視野。”
水在宇宙中的奧德賽始於大爆炸發生數億年後。那時，第一批恆星——它們瘋狂地融合了氫儲備以產生更重的元素——爆發成超新星，將氧氣播撒到宇宙中。在這一點上，單個氧原子可以與兩個氫原子結合形成一個水分子——這種分子在宇宙的創造和毀滅迴圈中，仍然可能被來自恆星和其他天體物理源的高能輻射重新分解。然而，遲早——毫無疑問在數十億年後，在某些情況下——這樣的水找到了通往分子云寒冷區域的道路，在那裡，它的旅程將開始另一個混亂而暴力的篇章。分子云是巨大的、寒冷的塵埃和凍結氣體團塊，其中含有豐富的水冰，是恆星和行星的搖籃。當雲的一部分達到某個臨界密度時，引力會導致該密集的、大致呈球形的區域坍縮成扁平的、旋轉的原行星盤，其中心有一顆新生的、發光的恆星。這個過程的大部分都被塵埃遮蔽，並且幾乎不可能探測——直到 JWST。“正是 JWST 令人難以置信的靈敏度使我們能夠捕捉到穿透過來的少量光子，從而在恆星和行星形成開始之前表徵冰粒，”哈佛大學的天文學家卡琳·奧伯格說。
從那裡，不斷增長的恆星吞噬從包圍它的星盤中傾瀉下來的物質，產生更多的光和熱——並可能分解星盤的水分子，從而烘烤掉原本會流入世界的水分。如果這個過程發生得太有效率，結果將是星系中到處都是乾涸的行星系統，而且我們很可能不會在這裡——這在很大程度上是為什麼大多數科學家懷疑情況並非如此。不知何故，水必須毫髮無損地從平靜的分子云穿過炙熱的恆星形成盤。
2021 年，國家射電天文臺的天文學家約翰·託賓等人使用 ALMA 觀測了 V883 Orionis——一顆被星盤環繞的原恆星，距離地球 1,305 光年，質量僅略大於我們的太陽，但亮度大約是太陽的 200 倍。原恆星的輻射加熱了寒冷的外盤，將冰轉化為水蒸氣，水蒸氣成為 ALMA 射電視覺的燈塔。這是一個幸運的突破。託賓的團隊看到了高比例的半重水——其中較重的氫同位素氘取代了水分子中兩個標準、較輕的氫原子之一。由於半重水只能在低溫下形成——而不是與恆星形成直接相關的高溫——它在 V883 Orionis 周圍的起源一定可以追溯到分子云本身，這表明水在恆星形成過程中沒有發生變化。事實上，託賓和他的同事觀察到的半重水與普通水的比例與在其他分子云中觀察到的比例完全匹配。它也與在我們太陽系彗星中發現的比例相匹配——暗示了水到達岩石世界的途徑之一。
圖片來源：馬修·特溫布利
天文學家目前認為，類地行星可以透過三種不同的方式獲得水。可能是水從一開始就存在——包裹在塵埃顆粒中，而塵埃顆粒是行星本身的基石。或者，正在生長的行星可能會直接從原始星盤中的氣體中吸取水蒸氣——允許引力在其岩石核心周圍建立潮溼的大氣層。或者，也許一旦行星形成，它們就會吞噬透過行星系統遙遠區域掉落的剩餘冰冷碎片而輸入的水。託賓的結果表明，後一種途徑起著突出的作用，但輸送水的彗星和隕石並非單獨起作用。地球上的半重水與普通水的比例略低於彗星中發現的比例——這意味著雖然我們星球上的大部分水來自太陽系外圍的冰冷腹地，但有些水一定暴露在靠近太陽的高溫下。然而，這種暴露看起來是什麼樣的，仍然是一個懸而未決的問題。
為了找到答案，奧伯格想要繪製一張宇宙地圖——精確定位年輕原行星盤周圍的水的位置，以瞭解哪些地方可以隨時為任何正在形成的行星提供水。ALMA 已經勾勒出一個模糊的影像，而 JWST 正開始以驚人的細節填補空白。去年 4 月，德國加興馬克斯·普朗克地外物理研究所的天文學家塞拉·格蘭特和她的同事使用 JWST 觀測到一個以前看起來乾燥的星盤中的水——證明了太空天文臺即使從經過充分研究的系統中也能榨取新鮮見解的卓越能力。“我們真的處於 JWST 的新時代，”格蘭特說。“我們能夠探測到以前無法探測到的東西，這真是太了不起了。”
然後，去年 8 月，德國海德堡馬克斯·普朗克天文研究所的天文學家朱利亞·佩羅蒂等人探測到水蒸氣在 PDS 70 中——這是迄今為止已知唯一擁有兩顆巨行星的原行星盤。它們的存在可能意味著類地行星也在內盤中合併——就在天文學家現在發現水的位置。“這是我們第一次在擁有行星的星盤的中心區域探測到水蒸氣，”佩羅蒂說。之前的觀測顯示根本沒有水——這並不奇怪，因為水很難在如此靠近恆星的強烈輻射下生存。現在天文學家知道它可以，並且它可能只是附著在行星生長時的大氣層上——而不是稍後透過星際訪客到達乾燥的行星。因此，宇宙中大多數類地世界可能天生富裕，從一開始就擁有大量的水。
奧伯格說，這本身可能是一個問題，可能會導致過於富含水的世界。科學家目前認為，海洋世界將難以創造生命，但一個佈滿池塘的大陸行星將更有可能成功。這是因為許多被認為對益生元化學和複雜化學系統興起至關重要的反應在小而濃縮的池塘中比在廣闊而稀釋的海洋中進行得更有效率。此外，從大陸侵蝕下來的礦物質將為水中新增重要的營養物質。但是，為了瞭解宇宙構建像地球這樣的類地星球的頻率，奧伯格認為我們首先需要了解年輕的原行星盤——透過完成宇宙地圖，該地圖不僅顯示了這些星盤周圍的水的位置，還顯示了水如何從一個位置流向下一個位置。
然而，水究竟是如何從星盤冰冷的外圍區域向內流動，一直不清楚——尤其是在 PDS 70 中，外盤和內盤之間存在很大的間隙。然後在去年 11 月，班扎蒂、奧伯格等人觀測到系統雪線內的水蒸氣，雪線是溫度變化將水從固態轉化為液態或氣態的過渡區域。這證實了一個物理過程，水透過該過程向內遷移。四十年前，天文學家推測，外盤中的水冰會隨著更堅固的固體物質——塵埃顆粒和所謂的冰卵石（大小從幾毫米到幾米不等）向內漂移——直到在雪線處昇華成巨大的水蒸氣霧。這正是班扎蒂觀察到的精確特徵。“這正是行星形成基本理論，即‘卵石漂移’情景中所預期的，該情景應該為[類地行星]的形成提供物質，甚至輸送水，”班扎蒂說。“從那個微小的訊號中，我們可以構建一個美麗的故事。”它對 PDS 70 具有影響。佩羅蒂懷疑這種機制在系統星盤的外圍區域和內盤區域之間形成間隙之前，將水向內輸送。或者，即使現在，水也可能繼續透過間隙遷移，儘管是以小得多的尚未被看到的微米級冰塵的形式。這種塵埃以及一些水分子可以充當保護罩，防止許多水分子分解。
因此，奧伯格的宇宙地圖正變得越來越詳細——在原行星盤的許多區域發現了巨大的儲水庫，這表明水很可能以多種方式流向岩石世界。但即便如此，天文學家也不知道哪種情景佔上風。“在我們研究的這個階段，我們無法排除其他可能性，”佩羅蒂說。例如，在 PDS 70 中，可能是這些類地行星失去了一些唾手可得的水——依靠小行星稍後補充它。未來的觀測應該會闡明主要途徑，這可能會根據行星系統的某些特徵而改變。
例如，格蘭特渴望瞭解水的動力學如何隨著恆星質量而變化。到目前為止，大質量恆星似乎大多是乾燥的，而較小、更像太陽的恆星似乎相對富含水，但格蘭特想知道對於一些最小的恆星來說，情況如何。這些恆星被稱為 M 矮星，它們很暗淡，這意味著圍繞它們執行的行星必須處於近距離軌道才能足夠溫暖以維持生命——這一特性使行星獵手相對容易使用 JWST 和其他望遠鏡進行研究。它們的原行星盤長期以來似乎貧水——但新的資料現在表明情況並非如此。去年 12 月，班扎蒂、奧伯格和他們的同事發表了一項研究，詳細介紹了圍繞 M 矮星的第一例富水星盤。格蘭特計劃透過探索儘可能多的小恆星來進一步探究這個問題。與此同時，班扎蒂正在進行的對 30 個不同系統的雪線分析已經揭示，小型、緊湊的星盤向其內部區域輸送的水是大型、擴充套件的、充滿間隙的星盤所能管理的 10 倍。水的宇宙之旅終於開始變得清晰起來。
託賓說：“看到這些結果彙集在一起，真是令人興奮。”“這是一個令人驚歎的發現時代——然而，我們真的只是觸及了那裡存在的冰山一角。”