彗星对地球形成的影响——氙的同位素示踪法

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彗星对地球形成的影响——氙的同位素示踪法

惰性气体在对早期太阳系形成的研究中起到示踪剂的关键作用。由伯纳德·马蒂（法国国家和学研究中心）领导的科研团队在6月9日宣布成果：任务末期，罗塞塔在67P/丘留莫夫-格拉西缅科彗星上，探测到了包裹在纤薄气体层中的气体氙。

氙是惰性气体，在元素周期表中排第54号。氙不与其他化学元素反应，是追踪地球和其他行星所含原始太阳系物质的重要元素。氙有十种同位素，最轻的同位素诞生于超新星爆炸中；中等质量的同位素诞生于小质量或中等质量的恒星进入到渐进巨星分支的时期；最重的同位素则诞生于中子星合并事件。

马蒂说：“氙气是稳定的惰性气体中最重的，或许也是最重要的。不同的天体活动会产生不同的同位素，为揭示宇宙的起源提供了更多信息。”

5月17日距67P彗星9千米远时罗塞塔的宽场照相机拍摄的图片。

Credit：ESA/Rosetta/OSIRIS Team

太阳系的原恒星气体云包含着更早期恒星的物质。现在我们地球的大气层中的氙气更多的是重同位素，因为随着时间流逝，轻同位素已慢慢地逸散到太空中。

将这个逸散考虑进去，科学家很快意识到，在原始时期地球大气中氙气重同位素的比例要远低于太阳系中其他地方，如太阳风或小行星。这被称为“氙气悖论”。

早期太阳系原恒星云的艺术想象图。

Credit：NASA/JPL

彗星有着非常独特的化学组成，因为它们形成的地点距离太阳非常遥远。例如，它们的氘和氢的比例要比太阳系中其他任意地方都高。那氙气该有相似的差异吗？

为了得到67P上的重要样本，罗塞塔号必须到达距离彗核只有5到8千米的地方。如此精确的控制对团队来说是一个不小的挑战，因为从彗星表面升华出的尘埃可能扰乱探测器的追踪系统。欧空局最终决定在2016年6月下旬实施操控。

太阳系中氙同位素比例分布图。注意预测的原恒星云氙同位素Xe-129的水平（黑色三角）与67P上的（灰色六边形）有多接近。

Credit：Bernard Marty et al, / Science

在2004年发射，历经十二载，罗塞塔号探测器最终在2016年9月30日在67P彗星表面结束工作。

这也是第一次科学家能够在彗星和地球大气组成之间建立一条确定的联系。彗星除了将氙气带到了早期地球，它们也很有可能将生命物质——氨基，甘氨酸，磷等——带到地球，而这些物质也在67P彗星上被探测到。

氙搭载黎明号上的离子发动机回到太空。

Credit：NASA / JPL

但是，地球上的水并没有像在67P彗星上看见的那样高的氘氢比。所以在给地球带来水这件事中彗星一定只扮演着一个小角色。而一个可能的主角，地球化学家推测，是那些富含水的碳质球粒陨石。

凯瑟琳·阿尔特韦格（瑞士伯尔尼大学）说：“这个结论与罗塞塔号之前的探测结果一致，包括未预想到的氧分子和硫分子，和高氘氢比的水。“

被水覆盖的地球。

Credit：David Dickinson

地球在太阳系中是独一无二的，因为它是唯一一个表面被大片液态水海洋覆盖的世界——其他所有雪水线内的行星都干燥无比。太阳系形成的标准模型预测了外太阳系气体行星的早期形成，与这些外围的气体巨行星的引力作用导致无数彗星飞往柯伊柏带，还有无数彗星飞往更遥远的奥尔特云。而现在，我们认识到了彗星是如何也为内太阳系的岩态行星的组成做出贡献的。

由NASA星尘任务从81P/怀尔德彗星返回的样本暗示着从原始太阳系气体云内部形成的元素——尤其是氧的同位素——在后来通过早期太阳系被向外部运送。

2004年1月2日拍摄的彗星81P/怀尔德。

Credit：NASA/GSFC

尽管罗塞塔号的诸多科学发现表明应该有接替的彗星任务，目前还没有制定彗星样本采集并返回的更多计划。但要解决太阳系形成的谜题，关键还在于追踪氙元素。

翻译：陆寅枫

校译：陈艳玲

编排：陈艳玲

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