水是我们所知生命不可或缺的组成部分，但它在地球或任何其他行星上的起源长期以来一直是一个谜。我们星球上的大部分水是在早期地球从围绕年轻太阳运行的物质中凝聚时就已包含进去了吗？还是水后来才被彗星和小行星的轰击带到地表的？而那些水最初来自哪里？
一项于 3 月 7 日发表在《自然》杂志上的研究为关于水最终起源的一个理论提供了新的证据——即水早于太阳和太阳系，是在恒星之间的巨大气体和尘埃云中随着时间缓慢形成的。
“我们现在对水的演化有了清晰的联系。它似乎是直接继承下来的，一直追溯到恒星形成之前的寒冷星际介质，”美国国家射电天文台研究恒星形成的the National Radio Astronomy Observatory的天文学家、该论文的首席作者John Tobin说。这些水在没有改变的情况下，被吸收到原行星盘中，原行星盘是一个围绕新生恒星形成的致密圆盘状尘埃和气体层，行星和小天体（如彗星）由此产生。Tobin 说，水“相对未改变地”被吸入彗星中。
天文学家们提出了太阳系中水的不同起源故事。Tobin 说，在热星云理论中，围绕母星的原行星盘中的高温会分解水和其他分子，这些分子在冷却后会重新形成。
根据 Tobin 的说法，该理论的问题在于，当水在原行星盘中以相对较高的温度出现时，它就不会像在彗星和小行星上发现的水那样。我们知道那些分子长什么样：太空岩石，例如小行星和彗星，充当时间胶囊，保存了早期太阳系物质的状态。具体来说，在盘中形成的水将没有足够的氘——一种氢的同位素，其原子核中含有一个中子和一个质子，而不是像普通氢那样只有一个质子。
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与热星云理论相对的另一种说法是，水是在星际介质中巨大云层尘埃颗粒表面以低温形成的。这种深度冷却改变了水的形成动力学，使得更多的氘取代 H2O 分子中的普通氢原子，从而更接近我们在小行星和彗星中看到的氢与氘的比例。
“尘埃颗粒的表面是唯一能够有效形成含有氘的水的场所，”Tobin 说。“其他形成含氘水和气体的途径根本就行不通。”
虽然这个解释在理论上是可行的，但这是科学家第一次发现证据表明，来自星际介质的水能够在原行星盘形成过程中强烈的热量中存活下来。
研究人员使用了欧洲南方天文台位于智利的射电望远镜阿塔卡马毫米/亚毫米波阵列，观测了距离地球约 1300 光年、位于猎户座的年轻恒星 V883 Orionis 周围的原行星盘。
像这样的射电望远镜可以探测到气相水分子的信号。但靠近年轻恒星的原行星盘中致密的尘埃常常会将水变成冰，这些冰会附着在望远镜无法观测到的颗粒上。
但是V883 Orionis并非一颗典型的年轻恒星——它因为原行星盘中的物质落入恒星而比正常情况下更亮。这种强度的增加使得比平常更远的尘埃颗粒上的冰升温，从而使 Tobin 和他的同事能够探测到盘中富含氘的水的信号。
“这就是为什么观测这个特定系统如此独特，并能直接确认水的成分，”Tobin 解释说。“氘的含量特征就是你的确凿证据。”这表明，从分子层面来看，地球的海洋和河流比太阳本身还要古老。
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“我们显然希望对更多的系统进行同样的观测，以确保这并非偶然，”Tobin 补充道。例如，水化学在行星、彗星和小行星的后期发育过程中，当它们在原行星盘中碰撞时，可能会以某种方式发生改变。
但作为一名研究恒星形成的天文学家，Tobin 已经有一些后续的候选目标。“在猎户座恒星形成区有几个其他不错的候选天体，”他说。“你只需要找到一个周围有盘的天体。”
