你喝的水，可能来自 46 亿年前的彗星！

科普中国 2025-09-14 17:30:06

在任何一张世界地图上，最先映入眼帘的不是山峦与国界，而是一整片湛蓝。海洋覆盖地球七成表面，蒸发、凝结、降水往复循环，滋养出森林、河谷与城市，也孕育了生命最初的火种。

对我们而言，水习以为常的存在，以至于很少追问它的“身世”。可在行星科学的视角里，海洋的存在并非“理所当然”。在地球诞生后的最初几亿年，表面灼热、岩浆横流，水很难长久停留。而今天的浩瀚海洋，又从何而来？这个看似朴素的问题，困扰了科学家近半个世纪。

2025 年，一颗周期约七十年的哈雷型彗星——12P/庞士-布鲁克斯（Pons-Brooks）给这个老问题带来了新的答案。科研团队借助智利阿塔卡马高原上的阵列望远镜 ALMA，对这颗彗星的彗发进行了前所未有的三维“水分子画像”，不仅在空间上分离出普通水与重水的分布，还精确测得两者之间的氘氢比。最令人注目的结论是：12P 的水分子“指纹”与地球海水极其相近。这意味着，至少有一类彗星的水，与地球同出一源的可能性空前增大，“彗星曾向地球输送水”的设想获得了迄今最有力的实证支撑。

最新研究显示，哈雷型彗星水与地球海水的“分子指纹”高度匹配（想象图）

（图片来源：美国国家航空航天局）

水的“身份证”：氘氢比的线索

科学追踪水的来源，靠的是一个并不直观却异常好用的线索——氘氢比。氢是宇宙里最轻的元素，它的“大体重”同位素叫氘。由氘参与形成的水分子被称为“重水”，常以 HDO 的形式被识别。温度、密度、化学反应路径不同，都会让水在形成时“掺”进不一样比例的氘，就像在一锅清汤里滴入不同颜色的墨水，最终呈现各自稳定的色调。于是，氘氢比就成了一枚分子层面的“身份证”——地球海水有自己的标准数值，彗星、小行星、星际云团的氘氢比也各有特征。把它们一一比对，就可能追溯出海洋的身世。

氢元素的三种同位素，从左至右依次为氕、氘、氚，其中的氕在很多场合下沿用“氢”这个叫法，本文中的氢皆为氕，即氢最常见的同位素（图片来源：维基百科）

然而，这条路并不好走。二十世纪末以来，科学家陆续测得多颗彗星的氘氢比，结果多半“偏高”，有的甚至接近地球的两倍。那段时间，“小行星送水说”因此流行起来：一些碳质球粒陨石的氘氢比与地球吻合得更好，似乎更像真正的“快递员”。

直到欧洲“罗塞塔”探测器造访 67P/丘留莫夫-格拉西缅科彗星，得到同样偏高的数值，彗星在公众心中的“送水员”角色一度淡出视野。人们开始怀疑：也许海洋主要是依赖小行星搬来的，彗星只是配角。

ALMA：看清彗星水分子的“宇宙巨眼”

12P 的回归，让剧情出现转折。这一次，关键不是“又测了一颗”，而是“怎么测”的飞跃。ALMA 的优势在于毫米/亚毫米波段的极高灵敏度与空间分辨率。彗发里重水的辐射线很弱，常常被背景噪声湮没。ALMA 将六十多台天线分布在高原上，通过干涉成像把彼此的信号“拼”在一起，相当于构造了一面口径巨大的“合成镜面”。

科研团队据此不仅捕捉到 HDO 的谱线，还能在彗核周围“绘图”，看清这些分子的分布究竟是从冰核直接升华，还是在彗发里二次生成。这个区分至关重要：只有来自冰核的分子，才保留着太阳系早期的“原味信息”。

在这种空间分离的基础上，研究人员对 12P 的氘氢比进行了精确估算，发现它与地球海水高度一致。把这个结果放回到四十多年的争论史里，它像一块关键拼图，卡在了恰当的位置——不能据此断言“所有彗星都能解释地球海洋的起源”，却足以说明“并非所有彗星都不具备这一可能性”。换句话说，太阳系里至少存在一类彗星，它们的水与地球“同款同配”。对“彗星输水说”而言，这当然是份来之不易的证据。

氢气（上）与氘气（下）在气体放电管中发光，分别呈现不同的光学及谱线特征。探测彗星中的氘氢比原理与之类似，仪器将探测其不同的谱线特征来确定氢同位素的种类与相对含量。（图片来源：维基百科）

为什么是 12P 彗星？

12P/庞士–布鲁克斯彗星是一颗周期彗星，公转周期约为 71 年。它符合经典的哈雷型彗星定义（轨道周期介于 20 年至 200 年之间），同时也是已知最明亮的周期彗星之一，在接近近日点时其绝对星等可达约 5 等。庞士–布鲁克斯彗星最早于 1812 年 7 月由让-路易·庞士在马赛天文台发现，后于 1883 年由威廉·罗伯特·布鲁克斯再次观测确认。

“哈雷型”彗星轨道离心率较大，每次靠近太阳都会剧烈“冒气”。当温暖的阳光照到彗核，被冰裹挟的尘粒从表层释放，形成我们肉眼可见的彗发与长尾，也在微波望远镜里点亮一条条分子谱线。ALMA 观测锁定的，正是这“冒气”的剖面。

研究团队在彗核附近看到了重水与普通水的同位素分布基本一致，说明信号直接来自升华冰，而非彗发中的后期化学反应。若是后者，氘氢比往往会被环境条件改写，丢失“古老记忆”。如今的证据却指向另一个结论：12P 搭载的，是一段几乎未被加工过的远古冰史。

12P/庞士–布鲁克斯彗星（图片来源：维基百科）

从个案到图景：

研究方法与未来方向

“与地球相近”的意义何在？科学家用“指纹”来打比方，是因为不同“水源地”的氘氢比确实稳定而可辨：原行星盘的温度梯度、形成水冰的地方、气固相反应的节律，都会在这枚“指纹”上留下长期可读的痕迹。

地球海水的“指纹”早已被无数次校准，它像一把“母钥匙”，等待在宇宙仓库里寻找能打开它的那把“配钥”。12P 的测量结果，恰像一把契合度极高的新钥匙。一旦确认“钥匙—锁孔”的匹配并非偶然，就意味着在地球早年遭遇的天体“快递”中，彗星至少贡献过不小的一份。

诚然，任何单一样本的成功，都不能取代统计意义上的稳固结论。科学家很清楚这一点，因此格外强调“取样策略”的重要性。太阳系的彗星并非同质，诞生地可能来自柯伊伯带，也可能来自奥尔特云；经历的“日晒雨淋”不同，表层成分也会随之老化、被阳光烤蚀或被撞击翻新。

对 12P 的观测展示了一种方法学突破：用空间分辨去排除次生化学的干扰，用三维分布去接近“从冰而来”的本底。方法一旦成熟，不同轨道族群、不同“年龄”的彗星都能纳入同一把“标尺”之下比较，从而把“个案惊喜”变成“族群全景”。

柯伊伯带的半长轴与偏心率结构。橙色表示冥卫一类天体（Plutinos），红色表示其他共振天体。天蓝色表示非共振的“热古柏带天体”，深蓝色表示“冷古柏带天体”。板蓝色部分为妊神星（Haumea）碰撞族。图中标注了若干重要天体。（图片来源：维基百科）

回望曲折科学史——

并不戏剧的“翻案”

二十世纪八十年代，彗星被普遍认为含冰丰富，天马行空的“送水”想象自然流行；随后，哈雷彗星与多颗“长周期彗星”的偏高氘氢比让研究陷入瓶颈，小行星于是成为更受认可的“候选者”；再到“罗塞塔”近身实测 67P 后的结果，让不少人断言彗星“送水”无望。

12P 的“合拍”提醒我们：在一个成分复杂、演化各异的体系里，用几颗样本就给全体定性，风险始终存在。科学稳步前行的方式，是不断改良仪器、优化方法、扩大样本，而不是在“是与非”的极端摇摆之间抓阄。

把视线再拉远些，12P 之所以令人兴奋，还因为它把“水”这件寻常之物重新放回了宇宙脉络里。水不只是一种分子，它还是行星表面地貌的雕刻师、气候系统的发动机、生命化学反应的溶剂，甚至是文明叙事的隐喻。假如彗星确曾为地球送来部分水与有机分子，那么我们对“生命稀有或普遍”的判断也会被悄然调整——彗星在恒星系中并不罕见，若它们普遍参与“播种”，那么在一条条宜居带里，海洋并非遥不可及，生命也许并非偶然孤例。

这当然不是浪漫想象。天文学在系外行星大气中已经多次识别出水汽、甲烷、二氧化碳等分子。把 12P 这类观测与系外行星的化学谱系放在一起，科学家开始勾勒一幅更宏阔的“水循环宇宙图”：在原行星盘的冰线上，水冰包裹尘埃团粒，凝聚成彗核；彗星在行星形成与迁移期被散射进内层，带来冰和有机物；行星拥有海洋后，依靠地质与大气循环把水保留下来；更久远的未来，水又以蒸发、逃逸或撞击转运的方式离去。地球只是这条大循环上的一个节点，12P 则像一枚来自环路上游的“邮戳”，提醒我们查收那封久违的“宇宙来信”。

每一滴水都可能是宇宙的来信

在公众文化中，彗星曾经是不祥的象征。它们突兀地“闯入”人类的夜空记忆，带着长尾与光辉，也裹着瘟疫与战火的联想。可在现代科学的叙述里，彗星慢慢褪去“灾星”的神秘外衣，露出“时间胶囊”的真实面目：它们在太阳系寒冷的边陲缓慢生长，远离剧烈的化学翻搅，把 45 亿年前的物质配方小心密封。每一次近日点的“炙烤”像一次短暂的拆封，让我们得以窥见远古的物质与比例。12P 的这张“化验单”，便是一次恰到好处的拆封：既足够接近，又没有被过度蒸腾而丢失信息。

学术上，12P 带来的并非“终局答案”，而是一种更可复制的研究路径。未来几年，研究者准备把同样的“空间分辨—同位素测量”框架推广至更多目标，覆盖不同动力学族群、不同热史阶段与不同回归时相。统计意义的“水谱系”一旦建立，关于“彗星与小行星各自贡献几何、在什么时代贡献更大”的争议，才有望真正厘清。届时，“地球海洋的身世”或许能从“叙事”“设想”上升为“量化”的章节。

读懂“宇宙来信”意义何在？

在新闻报道的语境里，人们总爱问一句“这有什么用”。从技术层面看，观测方法的完善会反哺更广泛的天体化学研究，帮助我们在原行星盘、行星际介质乃至行星大气中更可靠地追踪水的行踪。

从科学史的层面看，它校正了一个长期受限于样本的认知偏差，提醒我们在复杂体系里保持耐心与边界感。从科学传播的层面看，它把“你我手中这一杯水”与“亿万里之外的一枚远古冰核”连接起来，让日常之物拥有宇宙的维度——这正是科普之于公众的意义所在：用证据与方法把“浪漫的想象”变成“可验证的科学洞见”。

当我们真正把目光放回到杯中，会发现那清澈的点滴也在讲述自己的旅途。它可能源于太阳系边缘的极寒黑夜，被尘埃包裹，在亿万年里静默无言；某一次引力的巧合把它推向太阳，从冰封到蒸腾，它穿行星际空间，撞击在一颗尚年轻的岩质星球；地壳冷却之后，它在岩石缝隙里缓慢渗流，汇入溪流，再流向大海；蒸发、凝结、成云、成雨，最终落在亿万年后的稻田、屋檐或孩子伸出的手心里。12P 的观测只是把这段旅程的“上游”照亮了一瞬，而理解这整条河流，仍需要我们沿着证据继续向前。

当今海洋中的水，有多少来自宇宙空间？（图片来源：作者拍摄）

责编：周阳乐

一审：周阳乐

二审：段涵敏

三审：刘文韬

来源：科普中国

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