你喝的水，可能來(lái)自46億年前的彗星

在任何一張世界地圖上，最先映入眼簾的不是山巒與國(guó)界，而是一整片湛藍(lán)。海洋覆蓋地球七成表面，蒸發(fā)、凝結(jié)、降水往復(fù)循環(huán)，滋養(yǎng)出森林、河谷與城市，也孕育了生命最初的火種。對(duì)我們而言，水習(xí)以為常的存在，以至于很少追問(wèn)它的“身世”。可在行星科學(xué)的視角里，海洋的存在并非“理所當(dāng)然”。在地球誕生后的最初幾億年，表面灼熱、巖漿橫流，水很難長(zhǎng)久停留；而今天的浩瀚海洋，又從何而來(lái)？這個(gè)看似樸素的問(wèn)題，困擾了科學(xué)家近半個(gè)世紀(jì)。

2025年，一顆周期約七十年的哈雷型彗星——12P/龐士-布魯克斯（Pons-Brooks）給這個(gè)老問(wèn)題帶來(lái)了新的答案。科研團(tuán)隊(duì)借助智利阿塔卡馬高原上的陣列望遠(yuǎn)鏡 ALMA，對(duì)這顆彗星的彗發(fā)進(jìn)行了前所未有的三維“水分子畫像”，不僅在空間上分離出普通水與重水的分布，還精確測(cè)得兩者之間的氘氫比。最令人注目的結(jié)論是：12P 的水分子“指紋”與地球海水極其相近。這意味著，至少有一類彗星的水，與地球同出一源的可能性空前增大，“彗星曾向地球輸送水”的設(shè)想獲得了迄今最有力的實(shí)證支撐。

最新研究顯示，哈雷型彗星水與地球海水的“分子指紋”高度匹配（想象圖）

（圖片來(lái)源：美國(guó)國(guó)家航空航天局）

水的“身份證”：氘氫比的線索

科學(xué)追蹤水的來(lái)源，靠的是一個(gè)并不直觀卻異常好用的線索——氘氫比。氫是宇宙里最輕的元素，它的“大體重”同位素叫氘。由氘參與形成的水分子被稱為“重水”，常以 HDO 的形式被識(shí)別。溫度、密度、化學(xué)反應(yīng)路徑不同，都會(huì)讓水在形成時(shí)“摻”進(jìn)不一樣比例的氘，就像在一鍋清湯里滴入不同顏色的墨水，最終呈現(xiàn)各自穩(wěn)定的色調(diào)。于是，氘氫比就成了一枚分子層面的“身份證”——地球海水有自己的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值，彗星、小行星、星際云團(tuán)的氘氫比也各有特征。把它們一一比對(duì)，就可能追溯出海洋的身世。

氫元素的三種同位素，從左至右依次為氕、氘、氚，其中的氕在很多場(chǎng)合下沿用“氫”這個(gè)叫法，本文中的氫皆為氕，即氫最常見(jiàn)的同位素

（圖片來(lái)源：維基百科）

然而，這條路并不好走。二十世紀(jì)末以來(lái)，科學(xué)家陸續(xù)測(cè)得多顆彗星的氘氫比，結(jié)果多半“偏高”，有的甚至接近地球的兩倍。那段時(shí)間，“小行星送水說(shuō)”因此流行起來(lái)：一些碳質(zhì)球粒隕石的氘氫比與地球吻合得更好，似乎更像真正的“快遞員”。直到歐洲“羅塞塔”探測(cè)器造訪 67P/丘留莫夫-格拉西緬科彗星，得到同樣偏高的數(shù)值，彗星在公眾心中的“送水員”角色一度淡出視野。人們開始懷疑：也許海洋主要是依賴小行星搬來(lái)的，彗星只是配角。

ALMA：看清彗星水分子的“宇宙巨眼”

12P 的回歸，讓劇情出現(xiàn)轉(zhuǎn)折。這一次，關(guān)鍵不是“又測(cè)了一顆”，而是“怎么測(cè)”的飛躍。ALMA 的優(yōu)勢(shì)在于毫米/亞毫米波段的極高靈敏度與空間分辨率。彗發(fā)里重水的輻射線很弱，常常被背景噪聲湮沒(méi)。ALMA 將六十多臺(tái)天線分布在高原上，通過(guò)干涉成像把彼此的信號(hào)“拼”在一起，相當(dāng)于構(gòu)造了一面口徑巨大的“合成鏡面”。科研團(tuán)隊(duì)據(jù)此不僅捕捉到 HDO 的譜線，還能在彗核周圍“繪圖”，看清這些分子的分布究竟是從冰核直接升華，還是在彗發(fā)里二次生成。這個(gè)區(qū)分至關(guān)重要：只有來(lái)自冰核的分子，才保留著太陽(yáng)系早期的“原味信息”。

在這種空間分離的基礎(chǔ)上，研究人員對(duì) 12P 的氘氫比進(jìn)行了精確估算，發(fā)現(xiàn)它與地球海水高度一致。把這個(gè)結(jié)果放回到四十多年的爭(zhēng)論史里，它像一塊關(guān)鍵拼圖，卡在了恰當(dāng)?shù)奈恢谩荒軗?jù)此斷言“所有彗星都能解釋地球海洋的起源”，卻足以說(shuō)明“并非所有彗星都不具備這一可能性”。換句話說(shuō)，太陽(yáng)系里至少存在一類彗星，它們的水與地球“同款同配”。對(duì)“彗星輸水說(shuō)”而言，這當(dāng)然是份來(lái)之不易的證據(jù)。

氫氣（上）與氘氣（下）在氣體放電管中發(fā)光，分別呈現(xiàn)不同的光學(xué)及譜線特征。探測(cè)彗星中的氘氫比原理與之類似，儀器將探測(cè)其不同的譜線特征來(lái)確定氫同位素的種類與相對(duì)含量。

（圖片來(lái)源：維基百科）

為什么是 12P彗星？

12P/龐士–布魯克斯彗星是一顆周期彗星，公轉(zhuǎn)周期約為71年。它符合經(jīng)典的哈雷型彗星定義（軌道周期介于20年至200年之間），同時(shí)也是已知最明亮的周期彗星之一，在接近近日點(diǎn)時(shí)其絕對(duì)星等可達(dá)約5等。龐士–布魯克斯彗星最早于1812年7月由讓-路易·龐士在馬賽天文臺(tái)發(fā)現(xiàn)，后于1883年由威廉·羅伯特·布魯克斯再次觀測(cè)確認(rèn)。

“哈雷型”彗星軌道離心率較大，每次靠近太陽(yáng)都會(huì)劇烈“冒氣”。當(dāng)溫暖的陽(yáng)光照到彗核，被冰裹挾的塵粒從表層釋放，形成我們?nèi)庋劭梢?jiàn)的彗發(fā)與長(zhǎng)尾，也在微波望遠(yuǎn)鏡里點(diǎn)亮一條條分子譜線。ALMA 觀測(cè)鎖定的，正是這“冒氣”的剖面。研究團(tuán)隊(duì)在彗核附近看到了重水與普通水的同位素分布基本一致，說(shuō)明信號(hào)直接來(lái)自升華冰，而非彗發(fā)中的后期化學(xué)反應(yīng)。若是后者，氘氫比往往會(huì)被環(huán)境條件改寫，丟失“古老記憶”。如今的證據(jù)卻指向另一個(gè)結(jié)論：12P 搭載的，是一段幾乎未被加工過(guò)的遠(yuǎn)古冰史。

12P/龐士–布魯克斯彗星

（圖片來(lái)源：維基百科）

從個(gè)案到圖景：研究方法與未來(lái)方向

“與地球相近”的意義何在？科學(xué)家用“指紋”來(lái)打比方，是因?yàn)椴煌八吹亍钡碾畾浔却_實(shí)穩(wěn)定而可辨：原行星盤的溫度梯度、形成水冰的地方、氣固相反應(yīng)的節(jié)律，都會(huì)在這枚“指紋”上留下長(zhǎng)期可讀的痕跡。地球海水的“指紋”早已被無(wú)數(shù)次校準(zhǔn)，它像一把“母鑰匙”，等待在宇宙?zhèn)}庫(kù)里尋找能打開它的那把“配鑰”。12P 的測(cè)量結(jié)果，恰像一把契合度極高的新鑰匙。一旦確認(rèn)“鑰匙—鎖孔”的匹配并非偶然，就意味著在地球早年遭遇的天體“快遞”中，彗星至少貢獻(xiàn)過(guò)不小的一份。

誠(chéng)然，任何單一樣本的成功，都不能取代統(tǒng)計(jì)意義上的穩(wěn)固結(jié)論。科學(xué)家很清楚這一點(diǎn)，因此格外強(qiáng)調(diào)“取樣策略”的重要性。太陽(yáng)系的彗星并非同質(zhì)，誕生地可能來(lái)自柯伊伯帶，也可能來(lái)自?shī)W爾特云；經(jīng)歷的“日曬雨淋”不同，表層成分也會(huì)隨之老化、被陽(yáng)光烤蝕或被撞擊翻新。對(duì) 12P 的觀測(cè)展示了一種方法學(xué)突破：用空間分辨去排除次生化學(xué)的干擾，用三維分布去接近“從冰而來(lái)”的本底。方法一旦成熟，不同軌道族群、不同“年齡”的彗星都能納入同一把“標(biāo)尺”之下比較，從而把“個(gè)案驚喜”變成“族群全景”。

柯伊伯帶的半長(zhǎng)軸與偏心率結(jié)構(gòu)。橙色表示冥衛(wèi)一類天體（Plutinos），紅色表示其他共振天體。天藍(lán)色表示非共振的“熱古柏帶天體”，深藍(lán)色表示“冷古柏帶天體”。板藍(lán)色部分為妊神星（Haumea）碰撞族。圖中標(biāo)注了若干重要天體。（圖片來(lái)源：維基百科）

回望曲折科學(xué)史——并不戲劇的“翻案”

20世紀(jì)八十年代，彗星被普遍認(rèn)為含冰豐富，天馬行空的“送水”想象自然流行；隨后，哈雷彗星與多顆“長(zhǎng)周期彗星”的偏高氘氫比讓研究陷入瓶頸，小行星于是成為更受認(rèn)可的“候選者”；再到“羅塞塔”近身實(shí)測(cè) 67P 后的結(jié)果，讓不少人斷言彗星“送水”無(wú)望。12P 的“合拍”提醒我們：在一個(gè)成分復(fù)雜、演化各異的體系里，用幾顆樣本就給全體定性，風(fēng)險(xiǎn)始終存在。科學(xué)穩(wěn)步前行的方式，是不斷改良儀器、優(yōu)化方法、擴(kuò)大樣本，而不是在“是與非”的極端搖擺之間抓鬮。

把視線再拉遠(yuǎn)些，12P 之所以令人興奮，還因?yàn)樗选八边@件尋常之物重新放回了宇宙脈絡(luò)里。水不只是一種分子，它還是行星表面地貌的雕刻師、氣候系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)、生命化學(xué)反應(yīng)的溶劑，甚至是文明敘事的隱喻。假如彗星確曾為地球送來(lái)部分水與有機(jī)分子，那么我們對(duì)“生命稀有或普遍”的判斷也會(huì)被悄然調(diào)整——彗星在恒星系中并不罕見(jiàn)，若它們普遍參與“播種”，那么在一條條宜居帶里，海洋并非遙不可及，生命也許并非偶然孤例。

這當(dāng)然不是浪漫想象。天文學(xué)在系外行星大氣中已經(jīng)多次識(shí)別出水汽、甲烷、二氧化碳等分子。把 12P 這類觀測(cè)與系外行星的化學(xué)譜系放在一起，科學(xué)家開始勾勒一幅更宏闊的“水循環(huán)宇宙圖”：在原行星盤的冰線上，水冰包裹塵埃團(tuán)粒，凝聚成彗核；彗星在行星形成與遷移期被散射進(jìn)內(nèi)層，帶來(lái)冰和有機(jī)物；行星擁有海洋后，依靠地質(zhì)與大氣循環(huán)把水保留下來(lái)；更久遠(yuǎn)的未來(lái)，水又以蒸發(fā)、逃逸或撞擊轉(zhuǎn)運(yùn)的方式離去。地球只是這條大循環(huán)上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，12P 則像一枚來(lái)自環(huán)路上游的“郵戳”，提醒我們查收那封久違的“宇宙來(lái)信”。

每一滴水都可能是宇宙的來(lái)信

在公眾文化中，彗星曾經(jīng)是不祥的象征。它們突兀地“闖入”人類的夜空記憶，帶著長(zhǎng)尾與光輝，也裹著瘟疫與戰(zhàn)火的聯(lián)想。可在現(xiàn)代科學(xué)的敘述里，彗星慢慢褪去“災(zāi)星”的神秘外衣，露出“時(shí)間膠囊”的真實(shí)面目：它們?cè)谔?yáng)系寒冷的邊陲緩慢生長(zhǎng)，遠(yuǎn)離劇烈的化學(xué)翻攪，把 45 億年前的物質(zhì)配方小心密封。每一次近日點(diǎn)的“炙烤”像一次短暫的拆封，讓我們得以窺見(jiàn)遠(yuǎn)古的物質(zhì)與比例。12P 的這張“化驗(yàn)單”，便是一次恰到好處的拆封：既足夠接近，又沒(méi)有被過(guò)度蒸騰而丟失信息。

學(xué)術(shù)上，12P 帶來(lái)的并非“終局答案”，而是一種更可復(fù)制的研究路徑。未來(lái)幾年，研究者準(zhǔn)備把同樣的“空間分辨—同位素測(cè)量”框架推廣至更多目標(biāo)，覆蓋不同動(dòng)力學(xué)族群、不同熱史階段與不同回歸時(shí)相。統(tǒng)計(jì)意義的“水譜系”一旦建立，關(guān)于“彗星與小行星各自貢獻(xiàn)幾何、在什么時(shí)代貢獻(xiàn)更大”的爭(zhēng)議，才有望真正厘清。屆時(shí)，“地球海洋的身世”或許能從“敘事”“設(shè)想”上升為“量化”的章節(jié)。

讀懂“宇宙來(lái)信”意義何在？

在新聞報(bào)道的語(yǔ)境里，人們總愛(ài)問(wèn)一句“這有什么用”。從技術(shù)層面看，觀測(cè)方法的完善會(huì)反哺更廣泛的天體化學(xué)研究，幫助我們?cè)谠行潜P、行星際介質(zhì)乃至行星大氣中更可靠地追蹤水的行蹤。從科學(xué)史的層面看，它校正了一個(gè)長(zhǎng)期受限于樣本的認(rèn)知偏差，提醒我們?cè)趶?fù)雜體系里保持耐心與邊界感。從科學(xué)傳播的層面看，它把“你我手中這一杯水”與“億萬(wàn)里之外的一枚遠(yuǎn)古冰核”連接起來(lái)，讓日常之物擁有宇宙的維度——這正是科普之于公眾的意義所在：用證據(jù)與方法把“浪漫的想象”變成“可驗(yàn)證的科學(xué)洞見(jiàn)”。

當(dāng)我們真正把目光放回到杯中，會(huì)發(fā)現(xiàn)那清澈的點(diǎn)滴也在講述自己的旅途。它可能源于太陽(yáng)系邊緣的極寒黑夜，被塵埃包裹，在億萬(wàn)年里靜默無(wú)言；某一次引力的巧合把它推向太陽(yáng)，從冰封到蒸騰，它穿行星際空間，撞擊在一顆尚年輕的巖質(zhì)星球；地殼冷卻之后，它在巖石縫隙里緩慢滲流，匯入溪流，再流向大海；蒸發(fā)、凝結(jié)、成云、成雨，最終落在億萬(wàn)年后的稻田、屋檐或孩子伸出的手心里。12P 的觀測(cè)只是把這段旅程的“上游”照亮了一瞬，而理解這整條河流，仍需要我們沿著證據(jù)繼續(xù)向前。

當(dāng)今海洋中的水，有多少來(lái)自宇宙空間？

（圖片來(lái)源：作者拍攝）

參考文獻(xiàn)：

[1] Biver, N., Roth, N. X., Cordiner, M. A., Coulson, I. M., Milam, S. N., Charnley, S. B., … & Villanueva, G. L. (2025). *A D/H Ratio Consistent with Earth’s Water in Halley-type Comet 12P from ALMA HDO Mapping*. Nature Astronomy.

出品：科普中國(guó)

作者：吳剛（中國(guó)科學(xué)院先進(jìn)技術(shù)研究院）

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