茫茫宇宙水漫漫

李忠東

在很多人的印象里，地球也許是太陽(yáng)系中唯一存在巨大水量的星體。在它5.1億平方千米的表面積里，海洋覆蓋了其中的71%，占據(jù)了3.6億平方千米，而陸地面積只占了29%。

不過(guò)在最近幾十年里，科學(xué)家結(jié)合多項(xiàng)研究結(jié)果證明，水的身份，已經(jīng)從曾經(jīng)的“稀缺之物”轉(zhuǎn)變成了宇宙的基本成分，在許多地方都能尋覓到它的蹤跡。2011年，天文學(xué)家在英仙座發(fā)現(xiàn)了一個(gè)噴發(fā)著巨大水流的遙遠(yuǎn)星體。據(jù)測(cè)算，其水流量相當(dāng)于亞馬孫河的1億倍，灌溉著周?chē)挠钪婵臻g。在宇宙中的巨大塵埃云霧中也有水的成分，星際空間則處處都有自由移動(dòng)的水分子，甚至還有那些在遙遠(yuǎn)恒星周?chē)摹八行恰保ū砻嫒撬?。它們無(wú)不證明著：水的存在是宇宙中的普遍現(xiàn)象。

即便在我們所處的太陽(yáng)系中，水的儲(chǔ)備量也同樣大得驚人。木星和土星某些衛(wèi)星上的含水量之多令人難以想象，其中土衛(wèi)二和木衛(wèi)三的地下海水量很可能超過(guò)了地球全部海水量。而火星也曾存在過(guò)液態(tài)水，科學(xué)家估計(jì)，其存水量大大超過(guò)北冰洋。

宇宙中最大的“水庫(kù)”也許位于奧爾特星云（Oort cloud）中，天文學(xué)家假設(shè)它是一個(gè)包圍著太陽(yáng)系的球體云團(tuán)，其中布滿了彗星。

關(guān)于太陽(yáng)系中水的來(lái)源，科學(xué)界一直眾說(shuō)紛紜。其中比較主流的有兩種觀點(diǎn)：一種認(rèn)為水是在太陽(yáng)系形成之時(shí)，由冰電離而成的；另一種則認(rèn)為水原本就存在于太陽(yáng)系誕生前的寒冷星云中。

來(lái)自美國(guó)密歇根大學(xué)天文系的科學(xué)家則為第二種觀點(diǎn)提供了證據(jù)：他們發(fā)現(xiàn)，地球上超過(guò)50%的水可能早在太陽(yáng)系誕生前就已生成。研究結(jié)果證實(shí)，太陽(yáng)系中的水有部分來(lái)自于太陽(yáng)系形成前的星際介質(zhì)。這極有可能幫助我們解開(kāi)水是如何及何時(shí)存在于太陽(yáng)系中的謎團(tuán)，并為我們?cè)谔?yáng)系的其他星球上尋找水提供幫助。

領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的伊爾莎·克里夫斯（Ilse Cliffs）博士指出：“在太陽(yáng)系誕生初期的環(huán)境條件里，并不適合水分子的合成，這說(shuō)明水只可能來(lái)自于富含化學(xué)元素的外部星云。更令人不可思議的是，這些冰在太陽(yáng)系的誕生過(guò)程中幸存了下來(lái)。”

為了確定水的“年齡”， 研究人員決定從氫的同位素氘入手，分析各種環(huán)境下形成的水中的氫和氘之間的比率。科學(xué)家構(gòu)建了專門(mén)的計(jì)算機(jī)模型，來(lái)比對(duì)彗星、行星、隕石及地球海洋水中氘的豐度（相對(duì)含量）。他們發(fā)現(xiàn)，這些樣本的比率均高于正常情況下太陽(yáng)系中氘的比率。

如果水是在寒冷的星際介質(zhì)環(huán)境中形成的，那么氘對(duì)氫的豐度比就會(huì)較高，最高可達(dá)1%左右。倘若水是在太陽(yáng)系形成時(shí)的較熱環(huán)境中形成的，那么這個(gè)數(shù)值就會(huì)較低，只有0.002%左右。但無(wú)論是彗星、行星、隕石還是地球海洋，其豐度比的實(shí)際觀測(cè)值都介于這兩個(gè)極端之間，比如地球海洋中的兩者豐度比是0.016%。

研究人員又模擬了太陽(yáng)誕生時(shí)的星際環(huán)境并研究了含氘重水的形成過(guò)程，結(jié)果發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)系本身形成重水的效率極其低下。如果沒(méi)有來(lái)自星際介質(zhì)的那部分水，我們根本無(wú)法解釋行星、隕石及地球海洋中的氘氫豐度比。這只能說(shuō)明一點(diǎn)：多出的那部分氘并非來(lái)源于太陽(yáng)系，而是來(lái)自氘豐度更高的寒冷星際空間。

克里夫斯表示，在我們每天喝的水中，有一部分很有可能比太陽(yáng)系還要“年長(zhǎng)”。他們推測(cè)，在地球海洋中，大約有7%～50%的水來(lái)自星際介質(zhì)。而對(duì)彗星而言，這個(gè)比例很可能是14%～100%。

或許，宇宙中還存在著許多類(lèi)似太陽(yáng)系的系統(tǒng)，它們?cè)谛请H介質(zhì)的幫助下，同樣具備了誕生生命的條件，人類(lèi)極有可能會(huì)找到另一個(gè)孕育著生命的“地球”。

天上有顆水做的星

木衛(wèi)三是圍繞木星運(yùn)轉(zhuǎn)的一顆衛(wèi)星，它的直徑約為5300千米，是太陽(yáng)系中最大的衛(wèi)星。其實(shí)，許多科學(xué)家都曾推測(cè)木衛(wèi)三的冰蓋下隱藏著一片咸水海洋。不過(guò)，來(lái)自美國(guó)宇航局加州噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的天體生物學(xué)家史蒂夫·萬(wàn)斯（Steve Vance）稱：“我們?cè)凇だ蕴?hào)’太空船以及哈勃太空望遠(yuǎn)鏡傳回的數(shù)據(jù)的幫助下，已經(jīng)證實(shí)了這一猜測(cè)，這讓我們對(duì)木衛(wèi)三內(nèi)部的海洋結(jié)構(gòu)有了更貼近真實(shí)的認(rèn)識(shí)。”

木衛(wèi)三的海洋位于厚度約15萬(wàn)米的冰蓋下，深度約為10萬(wàn)米，是地球海洋平均深度的300倍。它擁有十分巨大的水量，或許是地球海洋水量的25倍。而且那里溫度適宜，足以讓其保持液狀形態(tài)。

由于擁有冰塊和液態(tài)海洋，而且兩者交錯(cuò)堆疊，因此，木衛(wèi)三上的水形成了一種類(lèi)似多層三明治的結(jié)構(gòu)：頂層的冰覆蓋了衛(wèi)星的表面，下面是一層液態(tài)水，接著是第二層冰，其下還有一層液態(tài)水，最后在海底巖石上面，還有一層冰和水。

木衛(wèi)三和地球一樣，也擁有一個(gè)流動(dòng)性的富鐵內(nèi)核，這一內(nèi)核的對(duì)流運(yùn)動(dòng)使它成為太陽(yáng)系中已知的唯一擁有磁圈的衛(wèi)星。在木衛(wèi)三少量磁圈和木星更為龐大磁場(chǎng)的雙重引力作用下，兩條極光帶出現(xiàn)在木衛(wèi)三的高磁緯地區(qū)。在木星自轉(zhuǎn)時(shí)，它的磁場(chǎng)會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而引起木衛(wèi)三的極光帶出現(xiàn)晃動(dòng)，但“動(dòng)作幅度”并沒(méi)有想象的那么大。借助計(jì)算機(jī)模型，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，正是木衛(wèi)三表面下的一片咸水海洋在“抵抗”木星的磁場(chǎng)引力。

科學(xué)家猜測(cè)，海洋的鹽分極有可能來(lái)自于某種硫酸鎂鹽。為此，他們還對(duì)木衛(wèi)三內(nèi)部的海洋進(jìn)行了計(jì)算機(jī)建模，并在實(shí)驗(yàn)室中模擬了此類(lèi)咸水海洋生成及運(yùn)動(dòng)的方式。雖然目前還沒(méi)有確定這些鹽分的來(lái)源，但研究人員表示，鹽度會(huì)對(duì)海洋產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的影響——如果鹽分豐富，那么木衛(wèi)三上的液態(tài)水就可以獲得足夠的密度，并沉降到底層。這也意味著液態(tài)水可以在巖石上面流動(dòng)，從而提供適宜微生物生存的環(huán)境，這種構(gòu)造大大提升了該星球上孕育生命的可能性。要知道，地球最初的生命形態(tài)正是在海底巖漿噴射口附近誕生的，這種類(lèi)似的水與巖石的相互作用，或許也曾在木衛(wèi)三上發(fā)生過(guò)。

木星作為太陽(yáng)系中最有可能出現(xiàn)生命跡象的行星，一直受到科學(xué)家的高度關(guān)注。在歐洲空間局的木星系統(tǒng)探測(cè)任務(wù)中，“木星的冰衛(wèi)星探測(cè)者”探測(cè)器尤為引人注目。該探測(cè)器計(jì)劃于2022年發(fā)射，預(yù)計(jì)于2030年抵達(dá)木星軌道。而它的主要任務(wù)，就是研究木衛(wèi)二、木衛(wèi)三和木衛(wèi)四這三顆地表下可能存在海洋的衛(wèi)星，以證實(shí)它們表面是否含有潛在適合人居環(huán)境的液態(tài)水體，以及存在生命的可能性。

2012年5月2日，歐洲空間局宣布將木星系統(tǒng)探測(cè)任務(wù)納入其宇宙愿景科學(xué)計(jì)劃?？茖W(xué)與機(jī)器人探索部門(mén)主任希門(mén)尼斯·卡涅特（Jimenez Canete）教授表示：“這項(xiàng)宏偉計(jì)劃是未來(lái)探索外太陽(yáng)系的必經(jīng)之路，其中包括兩大重要主題：第一，行星形成和生命出現(xiàn)的條件是什么；第二，太陽(yáng)系是如何運(yùn)轉(zhuǎn)的。該計(jì)劃必將成為一個(gè)成果豐富且令人激動(dòng)的科學(xué)項(xiàng)目?！?/p>

冰與火之歌

火星，是在科學(xué)家眼里極有可能孕育生命的另一顆行星。近20年來(lái)，人類(lèi)利用高分辨成像、光譜、質(zhì)譜、雷達(dá)、中子分析等多種手段探測(cè)火星，并獲得了一系列數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，早期的火星表面確實(shí)曾有水，而且還存在過(guò)適宜生命繁衍的環(huán)境。

美國(guó)科學(xué)家通過(guò)夏威夷凱克天文臺(tái)（W.M. Keck）等地的地面望遠(yuǎn)鏡，對(duì)火星進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)6年的觀測(cè)。他們推測(cè)，大約在43億年前，這顆行星還擁有很豐富的液態(tài)水資源。由于火星表面的起伏趨勢(shì)，導(dǎo)致很多河流由南向北流動(dòng)，并匯聚成海洋，占據(jù)了火星北半球幾乎一半的面積。這些水的總體積估計(jì)超過(guò)2000萬(wàn)立方千米，而北冰洋也僅有1700萬(wàn)立方千米而已。此外，火星海洋的局部水深可能超過(guò)1.6千米。假設(shè)讓液態(tài)水覆蓋整個(gè)火星表面，其平均水深可達(dá)137米。

可是到了3億年后，也就是40億年前，火星上水天一色的美景因?yàn)槟撤N原因開(kāi)始慢慢消失。其中，超過(guò)87%的液態(tài)水通過(guò)蒸發(fā)逃逸到太空中，其余的水也以冰的形態(tài)被封存在火星兩極。正在我們編輯此稿的 2015年9月28日，美國(guó)宇航局發(fā)布消息確認(rèn)，由火星勘測(cè)軌道飛行器（MRO）提供的強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)表明，目前在火星表面仍存在流動(dòng)的液態(tài)水。NASA科學(xué)家里奇·楚雷克介紹說(shuō)：“在火星勘測(cè)軌道飛行器（MRO）對(duì)火星表面的探索持續(xù)了長(zhǎng)達(dá)數(shù)個(gè)火星年，這為我們提供了寶貴的能夠反映火星地表結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的數(shù)據(jù)，其中就包括根據(jù)季節(jié)變化的黑色地質(zhì)線條結(jié)構(gòu)，這是我們確定火星表面存在液態(tài)水的重要證據(jù)?！?NASA科學(xué)任務(wù)主管約翰·格倫斯菲爾德說(shuō)：“我們對(duì)火星表面生命的研究，一直在‘追隨著水的蹤跡’進(jìn)行?，F(xiàn)在，我們終于可以確認(rèn)，火星表面存在著潺潺流水。這是非常重要的發(fā)現(xiàn)?！?/p>

雖然直到現(xiàn)在，人類(lèi)發(fā)射到火星的探測(cè)器都還沒(méi)有找到其存在生命的直接證據(jù)。但科學(xué)家又想到了另一種尋找生命線索的途徑——來(lái)自火星的隕石。目前，地球上被國(guó)際隕石學(xué)會(huì)承認(rèn)并命名的火星隕石共有120多塊！

去年，由中國(guó)、德國(guó)、瑞士和日本科學(xué)家組成的研究團(tuán)隊(duì)，對(duì)2011年墜落在摩洛哥沙漠中的一塊灰黑色火星隕石進(jìn)行了研究，國(guó)際隕石學(xué)會(huì)根據(jù)當(dāng)?shù)氐孛麑⑵涿麨椤疤嵘亍?。雖然這塊在宇宙中遨游了70萬(wàn)年的隕石只有拇指大小， 6克重，但卻是目前地球上最“新鮮”的火星隕石，幾乎無(wú)異于直接從火星上采樣而來(lái)，非常珍貴。

利用激光拉曼光譜儀和化學(xué)分析，科學(xué)家在“提森特”里檢測(cè)出10多顆碳顆粒。它們非常細(xì)小，還不到頭發(fā)絲的十分之一，成分為干酪根，類(lèi)似于煤，是有機(jī)質(zhì)。此外，研究人員還從火星隕石中發(fā)現(xiàn)了輕碳同位素增多的現(xiàn)象，這是火星上可能存在過(guò)生命的有力證據(jù)。領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的中科院地質(zhì)與地球物理所研究員林楊挺解釋說(shuō)：“地球上的生物作用會(huì)使有機(jī)物中輕碳同位素變多，古生物學(xué)家就是通過(guò)古老巖石中碳同位素的變化來(lái)判斷它是否與生命有關(guān)?！?/p>

此次研究活動(dòng)在科學(xué)界也引起了廣泛關(guān)注，不少科學(xué)家表示，這是人類(lèi)自探測(cè)火星以來(lái)，證明火星可能曾有生命存在的最令人鼓舞的科學(xué)論據(jù)。

也許在人類(lèi)眼里，地球曾經(jīng)的標(biāo)簽是“唯一”?？扇缃?，隨著科學(xué)家在宇宙中發(fā)現(xiàn)越來(lái)越多的生命之源——水，水已不再是地球的專利。不過(guò)，未知與神秘不也正是宇宙和生命的魅力所在嗎？

43億年前的火星

2015年7月，美國(guó)宇航局也對(duì)外宣布了他們針對(duì)木星系統(tǒng)的探索計(jì)劃，這次他們準(zhǔn)備向木星發(fā)送一個(gè)龐大的微型機(jī)器人艦隊(duì)。目前，美國(guó)宇航局已邀請(qǐng)了全美10所高校參與木星微型機(jī)器人艦隊(duì)的研發(fā)。此次每個(gè)微型機(jī)器人的任務(wù)都非常單一，因此造價(jià)很低，性價(jià)比相當(dāng)高。