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古老的太空尘埃分析或可解开地球水的起源之谜

2022-01-22 09:46 · 稿源: cnbeta

一个国际科学家团队可能已经解决了关于地球水的起源的一个关键之谜,因为他们发现了有说服力的新证据。在最近发表在《自然-天文学》杂志上的一篇论文中,一个来自英国、澳大利亚和美国的研究小组描述了对一颗古老小行星的新分析。该研究表明,当地球形成时,外星尘埃颗粒将水带到了地球。

颗粒中的水是由空间风化作用产生的,这个过程中来自太阳的带电粒子被称为太阳风,改变了颗粒的化学成分,产生了水分子。

这一发现可以回答一个长期存在的问题,即富含水的地球是如何获得覆盖其表面70%的海洋的--远远超过我们太阳系中任何其他岩石行星。它也可以帮助未来的太空任务在没有空气的世界上找到水源。

行星科学家们几十年来一直对地球海洋的来源感到困惑。一种理论认为,一种被称为C-型小行星的载水空间岩石可能在46亿年前地球形成的最后阶段将水带到了地球。

为了检验这一理论,科学家们之前分析了C-型小行星大块的同位素“指纹”,这些小行星作为富含水的碳质球粒陨石落在地球上。如果陨石水中的氢和氘的比例与地球上的水相匹配,科学家就可以得出结论,C-型陨石可能是来源。

结果并不那么明确。虽然一些富含水的陨石的氘/氢“指纹”确实与地球上的水相匹配,但许多却不是。平均而言,这些陨石的液体“指纹”与在地球地幔和海洋中发现的水并不一致。相反,地球有一个不同的、略微浅的同位素“指纹”。

换句话说,虽然地球上的一些水来自C-型陨石,但形成中的地球必须从至少一个同位素较轻的来源获得水,而这个来源来自太阳系的其他地方。

格拉斯哥大学领导的团队使用了一种称为原子探针断层扫描的先进分析方法,仔细检查了来自不同类型的太空岩石的样本,即S-型小行星,它们的轨道比C-型小行星更靠近太阳。他们分析的样本来自一颗名为“Itokawa”的小行星,这些样本由日本空间探测器隼鸟号收集,并在2010年返回地球。

原子探针断层扫描使研究小组能够一次测量颗粒的原子结构,并检测单个水分子。他们的发现表明,大量的水是在“Itokawa”的尘埃大小的颗粒的表面下通过空间风化作用产生的。

早期的太阳系是一个非常多尘的地方,提供了大量的机会在空间尘埃粒子的表面下产生水。研究人员认为,这种富含水的尘埃会与C-型小行星一起降到早期地球上,作为地球海洋的一部分。

格拉斯哥大学地理和地球科学学院的Luke Daly博士是该论文的主要作者。 Daly博士说:“太阳风是主要由氢离子和氦离子组成的流,从太阳不断地流向太空。当这些氢离子碰到像小行星或空间尘埃粒子这样的无空气表面时,它们会渗透到表面以下几十纳米的地方,在那里它们可以影响岩石的化学成分。随着时间的推移,氢离子的“空间风化”效应可以从岩石中的材料中喷出足够的氧原子,从而产生水--被困在小行星的矿物中。”

“最重要的是,这种由早期太阳系产生的太阳风衍生的水在同位素上是轻的。这强烈地表明,被太阳风吹动并在数十亿年前被卷入形成中的地球的细粒尘埃,可能是该行星缺失的水库的来源。”

科廷大学地球和行星科学学院的特聘教授、该论文的共同作者Phil Bland教授说:“原子探针断层扫描让我们能够令人难以置信地详细观察Itokawa上尘埃颗粒表面的前50纳米左右的内部,它以18个月的周期绕太阳运行。它使我们能够看到,这块经过空间风化的边缘碎片含有足够的水,如果我们把它放大,每立方米的岩石将达到约20升。”

共同作者、普渡大学地球、大气和行星科学系的Michelle Thompson教授补充说:“如果没有这项杰出的技术,这种测量根本不可能实现。它让我们对漂浮在太空中的微小尘埃颗粒如何帮助我们平衡地球水的同位素组成,并为我们提供新的线索,以帮助解决其起源之谜,有了非凡的见解。”

研究人员非常谨慎地确保他们的测试结果是准确的,用其他来源进行了额外的实验来验证他们的结果。

Daly博士补充说:“科廷大学的原子探针断层扫描系统是世界级的,但它从未真正用于我们在这里进行的那种氢气分析。我们想确保我们看到的结果是准确的。我在2018年的月球和行星科学会议上介绍了我们的初步结果,并询问在场的任何同事是否会用他们自己的样品帮助我们验证我们的发现。令我们高兴的是,美国宇航局约翰逊航天中心和夏威夷大学马诺阿分校、普渡大学、弗吉尼亚大学和北亚利桑那大学、爱达荷州和桑迪亚国家实验室的同事都表示愿意提供帮助。他们给我们提供了用氦和氘而不是氢辐照的类似矿物的样本,从这些材料的原子探测结果中,我们很快就清楚地看到,我们在Itokawa看到的是外星的东西。”

“在这项研究中提供支持的同事们真的相当于一个研究空间风化的‘梦之队’,所以我们对我们所收集的证据感到非常兴奋。它可以打开一扇大门,让我们更好地了解早期太阳系的样子,以及地球及其海洋是如何形成的。”

论文的共同作者、夏威夷大学马诺阿分校的John Bradley教授补充说:“就在十年前,太阳风辐照与太阳系中水的起源有关,更不用说与地球海洋有关的概念,会受到怀疑的欢迎。通过首次显示水在小行星表面就地产生,我们的研究建立在不断积累的证据之上,即太阳风与富氧尘粒的相互作用确实产生了水。”

“由于在行星吸积开始之前整个太阳星云中丰富的尘埃不可避免地被辐照,这种机制产生的水与行星系统中水的起源以及地球海洋的同位素组成直接相关。”他们对空间风化表面可能包含多少水的估计,也表明未来的太空探索者可以在即使是最看似干旱的行星上制造水的供应。

研究共同作者、夏威夷大学马诺阿分校的Hope Ishii教授说:“未来人类太空探索的问题之一是宇航员如何找到足够的水来维持他们的生命并完成他们的任务,而不在他们的旅途中携带。”

“我们认为可以合理地假设,在Itokawa上产生水的相同空间风化过程将在某种程度上发生在许多没有空气的世界上,如月球或小行星 Vesta。这可能意味着,太空探险家很可能能够直接从行星表面的尘埃中加工出新鲜的水供应。想到形成行星的过程可以帮助支持人类在地球以外的生活,这是令人激动的。”

Daly博士补充说:“美国宇航局的Artemis项目正着手在月球上建立一个永久基地。如果月球表面有一个类似的水库,由这项研究在Itokawa上发现的太阳风提供水源,它将代表一个巨大而宝贵的资源,有助于实现这一目标。”

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