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罗塞塔探测器初步考察排除地球水体彗星起源说

时间:2017年03月05日 14:59 | 标签:宇宙奥秘太阳系

罗塞塔探测器初步考察排除地球水体彗星起源说 宇宙奥秘 第1张图

罗塞塔探测器对67P彗星进行的氢同位素测量显示其成分与地球海洋水体氢同位素特征不同,这一结论必将引起科学界在有关地球水体起源问题上的激烈争论。

罗塞塔探测器初步考察排除地球水体彗星起源说 宇宙奥秘 第2张图

罗塞塔探测器导航相机在2014年11月20日拍摄的67P彗星近景图像。提示:本文选自千亿国际娱乐平台千亿国际娱乐平台上有大量的优秀范文和作文素材,可供考生参考。

罗塞塔探测器初步考察排除地球水体彗星起源说 宇宙奥秘 第3张图

柯伊伯带和奥尔特云。目前一般认为,短周期彗星的源区是距离较近的柯伊伯带,而长周期彗星的源区则是更加遥远的奥尔特云。

罗塞塔探测器初步考察排除地球水体彗星起源说 宇宙奥秘 第4张图

太阳系各天体的氢同位素比值示意图,蓝色横线表示地球的值。可以看到小行星的D/H比值与地球几乎相同,但此次罗塞塔探测器考察的67P彗星水冰D/H值远高于地球水平。

欧空局罗塞塔探测器的初步考察结果已经发表。探测数据显示,彗星67P/楚留莫夫-格拉希门克上喷射的水汽成分与地球上水的成分存在显著差异。这一结果加剧了关于地球上水起源问题的争论。

这一探测结果是根据今年8月6日罗塞塔飞船进入67P彗星轨道之后收集的考察数据得到的。这也是罗塞塔项目中最为人期待的探测结果之一,因为这直接有关地球上水的起源之谜。

有关地球上水体起源的一项主流理论认为,在大约46亿年前地球形成时,由于温度过高,其原始的水分会完全挥发。然而今天的地球表面有将近2/3的区域被水体覆盖,那么这些水从何而来?

因此,很显然这些水应该都是在地球逐渐冷却下来之后才来到地球上的,其中最有可能的来源便是彗星和小行星。不过对于具体这些不同来源中各自所占的贡献比例则存在较大的争议。

确定水的来源,一项极重要的指标便是它的同位素成分——在这种情况下就是指D/H比,也就是氘(一种原子核中含有一个中子的氢的同位素)与常规氢原子的比值。这一比值是了解太阳系早期演化的重要线索,理论模拟显示,在太阳系形成最初的数百万年内,随时间推移,以及随距离太阳的远近,这一比值应当会出现规律性变化。科学家们希望通过对氢同位素比值的测量,并将其与地球上海洋水体的这一比值进行对比,从而来确定哪些类型的天体对地球上水体的起源机制中起到了作用。

而在对早期太阳系的考察中,彗星尤其具有重要意义:它们含有早期太阳系原行星盘的物质,行星便形成于这一吸积盘结构之中。由于这一原因,彗星的成分应当可以反映其形成区域的原始化学成分。

不过由于早期太阳系内剧烈的运动,这也并非是一个直截了当的过程。那些来自遥远的奥尔特云区域的长周期彗星,其起源地可能是在今天的海王星-天王星区域,在这里,来自太阳的热量已经足够少,温度足够低,从而允许水冰的存在。

后来由于太阳系内那几颗气态巨行星的引力摄动影响,这些小天体被散落到了遥远的太阳系边缘地带。

与之相反,木星族彗星,就比如此次罗塞塔飞船所考察的那颗,一般被认为形成于距离远得多的区域位置上,大致位于海王星轨道外侧的柯伊伯带区域。这些小天体在这里会时不时地受到引力扰动,进而离开原来所处的位置并落向内太阳系,在此过程中它们的轨道被木星强大的引力场所控制。

事实上,罗塞塔探测器所考察的67P彗星目前正运行在地球与火星轨道之间的区域,这属于其轨道最靠近内侧的一段,它的轨道最远处位于木星轨道外侧,整个运行周期约6.5年。

此前对其他几颗彗星成分的氘/氢(D/H)比值显示出较宽的数值范围。目前已经得到测定结果的11颗彗星中,只有唯一一颗木星族彗星哈特利-2号彗星(103P/Hartley 2)被发现这一成分比例与地球上水体的同位素特征相符。这是2011年欧空局赫歇尔望远镜获得的测量结果。

而相比之下,主要来自小行星带的陨石中的水份氢同位素测定结果也与地球上水的成分相一致。因此,尽管相比彗星,小行星的含水量要低得多,但如果有大量的小行星撞击地球,仍然有可能为地球带来大量的水体。

正是在这样的背景之下,此次罗塞塔探测器获得的测量结果就显得非常重要。有趣的是,此次罗塞塔飞船上搭载的“罗塞塔轨道器离子与中性粒子分析光谱仪”(ROSINA)对67P彗星氢同位素比值的分析结果显示其D/H比值超出地球水体以及与它同属木星族的哈特利-2号彗星达3倍之多。实际上,这一测量值已经超过了任何已知的奥尔特云天体。

ROSINA设备首席科学家,也是本周在《科学》杂志上报道有关探测结果的论文第一作者凯斯林·奥特维格(Kathrin Altwegg)表示:“这项出人意料的发现可能暗示木星族彗星的来源是多样化的——或许表明它们是在新生的太阳系各处形成的,其分布范围之广超出了我们原先的设想。”

他说:“我们的这项发现也排除了认为木星族彗星上的水冰成分完全与地球上的水体成分相同的观点,而支持了认为小行星是地球上海洋水体主要来源的理论。”

奥特维格指出:“我们知道罗塞塔探测器对一颗彗星的考察结果将会带来有关整个太阳系整体图景的意外结果,而这一分析结果也必将加剧有关地球水体起源问题本已十分激烈的争论。随着罗塞塔飞船继续伴随彗星沿着轨道逐渐接近太阳一直工作到明年,我们还将继续对其密切关注,观察其如何发生变化,这将有助于我们加深对神秘的彗星世界,以及这些小天体在太阳系演化过程中所起作用的认识。”


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