彗星對地球形成的影響——氙的同位素示蹤法

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彗星對地球形成的影響——氙的同位素示蹤法

惰性氣體在對早期太陽系形成的研究中起到示蹤劑的關鍵作用。由伯納德·馬蒂（法國國家和學研究中心）領導的科研團隊在6月9日宣布成果：任務末期，羅塞塔在67P/丘留莫夫-格拉西緬科彗星上，探測到了包裹在纖薄氣體層中的氣體氙。

氙是惰性氣體，在元素周期表中排第54號。氙不與其他化學元素反應，是追蹤地球和其他行星所含原始太陽系物質的重要元素。氙有十種同位素，最輕的同位素誕生於超新星爆炸中；中等質量的同位素誕生於小質量或中等質量的恆星進入到漸進巨星分支的時期；最重的同位素則誕生於中子星合并事件。

馬蒂說：「氙氣是穩定的惰性氣體中最重的，或許也是最重要的。不同的天體活動會產生不同的同位素，為揭示宇宙的起源提供了更多信息。」

5月17日距67P彗星9千米遠時羅塞塔的寬場照相機拍攝的圖片。

Credit：ESA/Rosetta/OSIRIS Team

太陽系的原恆星氣體雲包含著更早期恆星的物質。現在我們地球的大氣層中的氙氣更多的是重同位素，因為隨著時間流逝，輕同位素已慢慢地逸散到太空中。

將這個逸散考慮進去，科學家很快意識到，在原始時期地球大氣中氙氣重同位素的比例要遠低於太陽系中其他地方，如太陽風或小行星。這被稱為「氙氣悖論」。

早期太陽系原恆星雲的藝術想像圖。

Credit：NASA/JPL

彗星有著非常獨特的化學組成，因為它們形成的地點距離太陽非常遙遠。例如，它們的氘和氫的比例要比太陽系中其他任意地方都高。那氙氣該有相似的差異嗎？

為了得到67P上的重要樣本，羅塞塔號必須到達距離彗核只有5到8千米的地方。如此精確的控制對團隊來說是一個不小的挑戰，因為從彗星表面升華出的塵埃可能擾亂探測器的追蹤系統。歐空局最終決定在2016年6月下旬實施操控。

太陽系中氙同位素比例分布圖。注意預測的原恆星雲氙同位素Xe-129的水平（黑色三角）與67P上的（灰色六邊形）有多接近。

Credit：Bernard Marty et al, / Science

在三周時間裡，羅塞塔號使用它ROSINA設備套裝中的質譜儀對彗星的氙氣同位素進行了測量。這次勘測中檢測出了7中不同的氙的同位素，在這些同位素中輕同位素的比例相對大於重同位素。這個比例與現在太陽風和小行星中的比例有很大不同，但是卻與預計的原始地球大氣中的比例很接近。馬蒂與他的團隊計算認為彗星是地球上22%的氙氣的來源。

在2004年發射，歷經十二載，羅塞塔號探測器最終在2016年9月30日在67P彗星表面結束工作。

這也是第一次科學家能夠在彗星和地球大氣組成之間建立一條確定的聯繫。彗星除了將氙氣帶到了早期地球，它們也很有可能將生命物質——氨基，甘氨酸，磷等——帶到地球，而這些物質也在67P彗星上被探測到。

氙搭載黎明號上的離子發動機回到太空。

Credit：NASA / JPL

但是，地球上的水並沒有像在67P彗星上看見的那樣高的氘氫比。所以在給地球帶來水這件事中彗星一定只扮演著一個小角色。而一個可能的主角，地球化學家推測，是那些富含水的碳質球粒隕石。

凱瑟琳·阿爾特韋格（瑞士伯爾尼大學）說：「這個結論與羅塞塔號之前的探測結果一致，包括未預想到的氧分子和硫分子，和高氘氫比的水。「

被水覆蓋的地球。

Credit：David Dickinson

地球在太陽系中是獨一無二的，因為它是唯一一個表面被大片液態水海洋覆蓋的世界——其他所有雪水線內的行星都乾燥無比。太陽系形成的標準模型預測了外太陽系氣體行星的早期形成，與這些外圍的氣體巨行星的引力作用導致無數彗星飛往柯伊柏帶，還有無數彗星飛往更遙遠的奧爾特雲。而現在，我們認識到了彗星是如何也為內太陽系的岩態行星的組成做出貢獻的。

由NASA星塵任務從81P/懷爾德彗星返回的樣本暗示著從原始太陽系氣體雲內部形成的元素——尤其是氧的同位素——在後來通過早期太陽系被向外部運送。