[科普中国]-这颗小行星上发现了水！我们向星辰大海是不是又迈出了一步？

随着新一轮各国对探索宇宙热情的持续高涨，媒体和大众对空间科学研究最新进展的关注度也不断走高。近日一篇名为“来自小行星Itokawa的原始地球水源新线索（New clues to ancient water on Itokawa）”的学术论文在科学期刊《Science Advances》上发表并引发了各国社交媒体的广泛关注和讨论。这篇论文认为，地球上的早期水源很可能与小行星有关。那么，这项研究的结论到底是如何得出的？除了小行星，太空中含有水的天体还有哪些？研究小行星中含有的水对于人类未来探索太空有什么深远意义？读完这篇文章，你就会找到答案。小行星Itokawa发现的水是什么水？2003年5月9日，日本JAXA（日本宇宙航空研究开发机构）的隼鸟号探测器驶向小行星Itokawa（糸川小行星，为了纪念日本火箭技术先驱者糸川英夫而命名），该探测器在经历重重磨难后成功在其表面获取了尘埃样品。这是人类第一次在小行星表面直接采集样品（1500个物质微粒）。返回地球后，隼鸟号密封舱采集器中收集的小行星表面微小尘埃，其样本在研究分析伊始就被人们寄予厚望，科学家们认为它们之中很可能含有与地球生命起源有关的有机物。美国亚利桑那州立大学的宇宙化学家们在获得隼鸟号采集的5个微粒样品后并对其进行了分析，并在其中两个样品（is104-Itokawa-0057和is109-Itokawa-0061）中惊喜的发现了辉石矿物。由于辉石矿物中大量存在的链状硅酸盐易于形成含水结构，他们敏锐地联想到小行星样品中同样可能会有微量水的存在。为了验证这个想法，研究团队使用Nano-SIMS（纳米二次离子质谱技术）进行痕量检测，并最终在这两个样品中检测到接近千分之一（970 ± 93ppm和680 ± 65ppm）的水成分，这一结果大大超出此前的预期。之前科学家们一直认为，Itokawa小行星的母体曾经受超过800℃的高温和灾难性碰撞，并历经太空中苛刻的温度变化考验。鉴于含水矿物的热稳定性都非常差，此前科学家们曾坚信小行星中含水矿物存在的概率微乎其微。该论文和实验说明了什么？论文可以分为两块，前半部分是通过模型反演，论述和推断小行星最初的含水量，后半部则是对文章观点进行测试实验的说明和推论。为了更好地反演小行星在初期的含水量，研究团队分别根据Itokawa母体的历史地质条件分别建立了热扩散模型和冲击碰撞模型。小行星母体采用半径25千米的同心层状模型，反演结果分别假定微粒埋藏状态分别位于100米，1000米和10000米。反演结果表明，硅质小行星（S型小行星）的含水量远远超出此前的预计，并且在地球诞生初期，星云盘内含有大量由橄榄石和辉石构成的S型小行星。根据这项研究结果，研究人员推测，在地球演变历史的早期，类似Itokawa这样的小行星撞击地球后为地球带来了大约一半的海水。研究人员在对这两个样品进行水痕量检测的同时，也对检测到的水进行了D/H（氘/氢）同位素分析，这是论文下半部实验主要说明的内容。研究团队将实验数据与地球和其他太阳系内可获得的样本中D/H同位素的含量进行了对比，发现其比例同地球海洋中氢同位素比值接近，这使得小行星中的水和地球的海洋建立了极好的相关性。这一成果为什么能获得世界各国的广泛关注？为什么这一研究成果会获得如此大的反响？假设该论文所论证的内容具有普遍意义，那么小行星中的含水量将极为可观。而且，更具诱惑力的是，在游离于太空中的小型天体当中依然可能存在着类似的富水（冰）天体，有的甚至堪称是飞翔的“大冰坨”。在未来星际旅行中，我们可以在宇宙中从含水的小行星获取水源，以减少必须携带水的基础数量和补充在漫长旅行中损失的水量。如此一来，宇航员有了充足的水源，可以进行大规模的太空蔬菜培养，甚至还可以制作各种太空饮料，太空旅行的生存保障也将大幅度提高。从学术角度来说，小行星含水量的测量结果还需要更多数据支撑必须说明的是，以上的种种美好畅想都是建立在该研究成果所推测的内容能够成立的基础上，然而目前该理论还有诸多问题。比如目前人类对地球上水的认识大多局限于地表水，对地球内部岩石含水量的认识还很浅显。地球水圈的平均深度不超过10千米，同地球6500千米半径相比不足千分之二，即使地球岩石中达到与小行星Itokawa类似含量的结晶水，其总量也应该远远超出地表的水圈总量，这点是该论文里没有提及的。即便如论文所说的小行星是地球原始水的来源之一，那么其贡献对于整个地球水的占比仍需要更精确的实验和计算。此外也存在一定的争议：小行星中的水分和挥发物是否会在撞击后散失？该样本中的水到底是来自哪里？单单一个实验或是一篇论文的力量还不足以证明地球上的水来自这样的小行星。该论文目前最让学术界质疑的地方，还是实验样本太少使其结论难以坚挺，目前仅有的两组实验数据并不能说明太多的问题。只有等到获得更多的证据支持，结果才能更令人信服。值得注意的是，相关的小行星探测计划仍在持续，我们很快就会得到更多的样品。预计在2020年返回的“隼鸟2”号探测器（由JAXA发射，探测目标是小行星Ryugu）和2023年返回的OSIRIS-Rex探测器（由NASA发射，探测目标是小行星Bennu）都将为我们带来更多令人期待的收获，其中OSIRIS-Rex探测器最多可收集2千克的海量样本，这对于科学家的相关研究必定大有帮助。地球之外，这些天体上或许也存在水海洋占据地球表面的四分之三，地球也因此被称为是蓝色星球。但太阳系中含有水的星球并不少，比如有证据表明离我们较近的火星南极冰盖下面存在一个液态湖，在月球永久阴影区也发现了固态冰存在的迹象。单纯以太阳系而言，理论上含水的天体同样不在少数，光谱数据显示，对于太阳系而言，氢（H）含量最高，氦（He）次之，然后就是氧（O）含量，虽然太阳本身占据了绝大部分比例（特别是氢和氦），但依然为整个太阳系水的存在提供了巨大可能性。在距太阳3个天文单位（地球到太阳间的距离为一个天文单位）以外的位置，即便天体质量较小，难以依靠万有引力束缚气体，仍有大量固态水存在的可能。且与太阳的距离越远，轻质元素的含量越高，H和O的比例甚至比地球的还要高。太阳系中游吟诗人一样的彗星就接近一个由固态的水、氨、甲烷等物质和硅酸盐矿物微粒团在一起的“脏雪球”。相比更大一些的星体，像木星卫星中的“木卫二”“木卫三”“木卫四”以及土星卫星中的“土卫一”“土卫二”等星体，经过科学探测后发现它们外观形态更接近一个冰球，在厚厚的冰壳下面可能蕴藏有大量液态水。有水的地方就有可能有生命，当然目前人类的探测还不够深入，无法确定这些星体是否有生命存活。目前太阳系中只有像地球这样，在地表拥有大量液态水才更适合生命的出现和发展。飞往星辰大海，人类还需要更多的水短时间，宇宙中其他天体中的水我们是指望不上了，那么，目前载人太空探索中使用的水从哪里来呢？载人航天器中需要的水都是从地球带上太空的，当然，由于人在太空中生存需要大量的水，而太空飞船携带能力有限，用水成本极为高昂，一升水进入太空的成本在5万美元左右。所以航天员在地面就会进行节水训练，对于短期航天任务，能少用点就少用点呗。但是像驻留太空站一类需要长时间生活在太空中的任务，仅仅需要节流是不够的，还需要开源。对此，只能依赖复杂的水循环利用系统，采集一定量的航天员尿液或废水，循环过滤后可以饮用，提高空间站内水的利用率，当真是一滴汗都摔成八瓣花啊！所以说，水资源，地球上宝贵，离开地球更宝贵！人类要想在太空中走得更远、待得更久，水源的问题是绝对要解决的。作者：荆博 中国建筑材料工业地质勘查中心 高级工程师审稿：赵中宝 中国地质科学院 助理研究员编辑：王波文章由腾讯科普“科普中国头条创作与推送项目”团队推出转载请注明来自科普中国参考文献1. New clues to ancient water on Itokawa, Science Advances, 20192. Supplementary Materials for New clues to ancient water on Itokawa, Science Advances, 20193. The geomorphology, color, and thermal properties of Ryugu: Implications for parent-body processes，Science 2019: