▲这张艺术想象图描绘了普通水和重水如何从巨大的分子云中产生并融入年轻恒星周围的行星形成盘中。（图片来源：美国国家科学基金会）
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地球上的水至少有一部分是由彗星送来的，且具有比太阳系更加古老的历史。
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文｜南方周末特约撰稿 鞠强
责任编辑｜朱力远
水是生命不可缺少的物质，在行星的形成和演化过程中也扮演着重要的角色。但我们每天喝的水究竟从何而来，却一直是一个悬而未决的难题。当研究人员在太阳系中的更多天体上发现水的存在时，这些水的来源同样没有确定的答案。近期，两项基于使用智利阿塔卡马大型毫米/亚毫米波阵列（Atacama Large Millimeter/sub-millimeter Array，ALMA）观测数据进行的研究为我们补齐水在宇宙中传递链条中的缺失环节提供了关键拼图。
2025年10月15日天平配资，意大利米兰大学物理系博士后玛格特·利默克尔（Margot Leemker）等人在《自然·天文学》（Nature Astronomy）上发表了一项最新研究成果，宣布他们首次在围绕一颗年轻恒星的行星形成盘中发现了古老的重水。这一发现表明在一些彗星上发现的水，甚至是地球上的水，可能比太阳系更加古老。而一项由美国国家航空航天局（NASA）戈达德太空飞行中心的马丁·科迪纳（Martin Cordiner）博士领导的研究，于2025年8月8日发表在《自然·天文学》上，他们通过对一颗彗星上的水的分析，给出了彗星曾向地球输运水的有力证据。
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水的身份史
我们在日常生活中熟悉的普通水分子由2个氢原子（H）和1个氧原子（O）构成，分子式是H2O。在自然界中，氢有3种同位素。普通的氢原子原子核中只有1个质子，也被称为氕（Protium）。氘（Deuterium，用D表示）是比氕更重的氢的同位素，它的原子核中有1个质子和1个中子。当普通水分子中的2个氢原子由氘取代后，分子式变为D2O，这样的水被称为重水。如果普通水分子中只有1个氢原子由氘取代，分子式则为HDO，称为半重水。
普通水和重水的形成条件不同，在不同的条件下，水中会含有不同比例的氘。在有关水的起源的研究中，重水与普通水的比例（氘氢比）至关重要：这一比例就像是水的身份信息，记录了水的形成历史。
玛格特·利默克尔等人在研究中使用ALMA对一颗年轻恒星V883 Ori周围的行星形成盘进行了观测。这颗恒星是从猎户座星云中诞生的恒星团中的一员，质量约为太阳质量的1.3倍，距离地球1350光年，年龄只有约50万年，处于恒星的“幼年”阶段，因此成为研究恒星形成早期阶段中水的来源的理想目标。
ALMA坐落于智利阿塔卡马沙漠中的查南托高原上，那里是地球上最干燥的地区之一，5000米的高海拔和稀薄干燥的空气为射电天文学提供了绝佳的观测条件。这个阵列由66台天线组成，工作在波长为0.32毫米至3.6毫米的毫米/亚毫米波段上，具有极高的观测灵敏度和空间分辨率。ALMA观测到的信号通常来自宇宙中温度极低的巨大气体分子云，以及一些最早和最远的星系。研究人员利用这些信号来探索这些分子云的物理和化学条件，而这些分子云是含有致密气体和尘埃的区域，像V883 Ori一样的恒星正在那里形成。宇宙中的这些区域通常很暗淡，因此使用光学望远镜在可见光波段很难对其进行观测，但是这些区域在毫米波段上却能发出强烈的信号。
一直以来，研究人员都面对一个问题，正如玛格特·利默克尔的合作者、美国国家射电天文台（NRAO）的约翰·托宾（John Tobin）在ALMA官网上所指出：“直到现在，我们都不确定彗星和行星上的水是在像V883 Ori这样的年轻恒星周围的行星形成盘中新形成的，还是源自古老的星际分子云。”对V883 Ori周围的行星形成盘的细致观测给了研究团队一个回答这个问题的极好机会，他们正是把氘氢比作为突破口。
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比恒星更古老天平配资
如果水分子在V883 Ori的行星形成盘中由于恒星和行星剧烈的形成过程而被破坏，又在分解后重新形成，那么其中重水的比例会很低，会与在太阳系中测得的重水比例相似。然而，研究人员通过分析ALMA获得的光谱信息发现，行星形成盘中重水与水的比例（D2O/H2O）为（3.2 ± 1.2）× 10-5，这一比例与尚未形成恒星的原恒星气体团中测得的比例一致，并且比水经历重组后应有的比例高出2个数量级。
阿塔卡马大型毫米/亚毫米波阵拍摄的年轻恒星V883 Ori周围的行星形成盘。（图片来源：ALMA）
因此，他们得出结论，盘中的水起源于恒星形成的最早期阶段。这些水甚至可能比这颗恒星还要古老数十亿年，它们一直存在于形成猎户座星云的分子云中。在从古老的星际分子云到这个恒星系统形成的过程中，这些水已经在太空中经历了漫长的时间之旅。同时，他们还进一步建立了重水、半重水和普通水之间的数值关系：D2O/HDO=（2.3 ± 1.0）× HDO/H2O，这一结果同样支持这些水来自恒星形成的最早期阶段。
他们的这项研究是水未被改变地经历从分子云到形成行星系统的材料这一旅程的第一个直接证据，不仅证明了水的古老起源，而且补齐了水在星际分子云、行星形成盘和彗星之间传递的这个链条上一个缺失的环节，这个链条最终指向行星。这些古老的水在恒星和行星形成的剧烈过程中幸存下来，在漫长的旅程后最终进入像太阳系这样的行星系统。而且，大部分水不是在行星形成盘中被破坏和重建的，而是从恒星形成的最早阶段继承而来。
玛戈特·利默克尔在ALMA的官网上表示：“我们的探测无可辩驳地证明，在这个形成行星的圆盘中看到的水，其年龄必须比中心恒星还要古老，而且是在恒星和行星形成的最初阶段形成的。这为理解水在行星形成过程中的旅程以及水如何通过类似的过程到达太阳系甚至地球带来了重大突破。”
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从彗星到地球的水
水在宇宙中传递的旅程中，有一个环节长期吸引研究人员的关注，就是彗星是否曾给地球带来水，这与地球水的“外源说”直接相关。“外源说”认为地球上的水是数十亿年前通过彗星、小行星和陨石的撞击到达地球的。同在行星形成盘中一样，在地球和彗星上也都有重水的存在。此前研究对一些彗星的观测发现，其所携带的水与地球上的水在氘氢比上有显著差异，表明二者有不同的来源。
但是，一项最新研究表明至少有一些彗星上的水和地球上的水具有相同的“身份信息”。马丁·科迪纳领导的研究团队宣布他们根据ALMA对彗星12P/庞斯—布鲁克斯（12P/Pons-Brooks）的观测，发现这颗彗星上的水具有与地球海洋相同的氘氢比，说明彗星可能在向年轻的地球输送水和其他一些构成生命的分子中发挥了关键作用。
彗星把水带到地球上的艺术想象图。（图片来源：NASA）
这颗彗星是一颗哈雷型周期彗星（即周期在20年至200年之间的彗星），又被称作“魔鬼彗星”（Devil Comet），周期约为71.3年，1812年首先由让-路易斯·庞斯（Jean-Louis Pons）发现，1883年由威廉·罗伯特·布鲁克斯（William Robert Brooks）再次独立发现，因此以二人的名字命名。这样的彗星是45亿年前太阳系诞生时留下的冰冻遗迹，携带着太阳系形成时的重要信息。12P于2024年4月21日到达近日点，6月2日到达近地点，此次回归为研究人员对它进行详细研究提供了难得的机会。
当这颗彗星接近太阳时，研究人员使用ALMA对它进行了观测，并与美国国家航空航天局的红外望远镜设施（Infrared Telescope Facility，IRTF）的红外测量相结合。他们根据测量数据首次绘制了彗发中普通水和半重水（HDO）的空间分布图，并以前所未有的精度确定了这颗彗星的氘氢比。他们测定的氘氢比为（1.71 ± 0.44）× 10-4，这是在哈雷型彗星中测量到的最低值，在所有彗星中也是较低值，但是与地球海洋中的值相当。
“由于地球被认为是由缺乏水的物质形成的，因此长期以来一直有观点认为彗星撞击是地球上的水的一个来源。我们的新成果提供了迄今为止最有力的证据，表明至少有一些哈雷型彗星所携带的水具有和地球上的水相同的同位素特征，这支持了彗星可能使地球变得宜居的观点。”马丁·科迪纳在ALMA官网上表示。
得益于ALMA强大的观测能力，研究人员有机会深刻洞察水在宇宙中的旅程。了解行星上的水从何而来，将会极大加深我们对太阳系和其他系统中行星形成和生命演化的理解。在我们不断发现新的系外行星的时代里，研究人员也会根据水的传播来重新审视寻找地外生命的路径。
虽然地球上水的来源并未最终确定，但如果溯时间之河而上，我们会发现其中可能至少有一部分水是由彗星送来，且具有比太阳系更加古老的历史。这些新研究则提醒我们，我们人类的存在与宇宙的古老历史是多么紧密地联系在一起。
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