▲一颗亚海王星从富氢世界向水世界转变的示意图。（图片来源：亚利桑那州立大学）
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科学家通过模拟岩质行星的早期环境，发现水可以通过特定的化学反应形成，这为探索地球上水的来源开辟了全新的研究路径。
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文｜南方周末特约撰稿 鞠强
责任编辑｜朱力远
水使地球成为生命的摇篮，把地球称作“水球”也许更为恰当。然而，地球上的水从何而来，却是长期摆在科学界面前的一道难题。
目前，科学界有两种可能的答案——分别是“外源说”和“内源说”。“外源说”指地球上的水来自地球之外，可能是小行星或者彗星等天体通过撞击带到地球上的。近期的一些研究发现，地球上的海水与某些彗星上的水成分相似，为“外源说”提供了新的证据。“内源说”指水可以在地球上自行形成，但科学界仍未确定具体的形成过程。
2025年10月29日和30日，由美国亚利桑那州立大学的沈相宪（Sang-HeonShim）领导的研究团队和由美国卡内基科学研究所的弗朗切斯卡·米奥齐（Francesca Miozzi）、阿纳·沙哈尔（Anat Shahar）领导的研究团队先后在《自然》（Nature）上公布了他们的最新研究成果，这两项彼此独立的研究都聚焦于探索岩质行星上水的可能来源。他们在实验中模拟了岩质行星的早期环境，发现水可以通过特定的化学反应形成，为探索地球上水的来源、在系外行星上寻找水乃至生命的迹象以及理解岩质行星的形成和演化机制开辟了全新的路径。
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行星造水
在探索水的来源时，研究人员除了在地球上搜寻蛛丝马迹之外，也把目光投向更多与地球相似的系外行星。随着探测技术的不断进步，天文学家已经确认发现超过6000颗系外行星，其中一类被称作“亚海王星”（sub-Neptune）的系外行星最为常见：这类行星比海王星小、比地球大，通常由富含氢的大气层包裹着内部的岩质内核。虽然在太阳系内没有这类行星，但是因为在银河系内数量众多且和地球存在相似之处，它们成为研究人员探索行星上水的起源的重要目标。如果在这类行星上存在形成水的条件，那就说明水在宇宙中可能是普遍存在的。
目前，研究人员已经对岩质行星的形成机制达成了广泛共识。以地球为例，它诞生在围绕太阳的尘埃和气体盘中。在引力的作用下，物质不断聚集并发生相互碰撞，这个过程使婴儿地球不断变大、变热。碰撞产生的热量以及放射性元素放出的热量使婴儿地球熔化成巨大的岩浆海洋。随着时间的推移，地球逐渐冷却，密度较大的物质向内沉降，最终形成目前的三层结构，由内到外分别是地核、地幔和地壳。
如果地球真的可以自己制造水，研究人员希望了解在地球诞生的早期阶段究竟发生了什么，才使水的形成成为可能。此前，他们对这个阶段缺乏深入的了解。但是，通过对更多亚海王星的观测，他们已经掌握了岩质行星演化早期阶段的更多细节。
2023年4月12日，沙哈尔曾和美国加州大学洛杉矶分校的爱德华·杨（Edward Young）等人在《自然》上发表了一篇论文，建立了一个描述岩质行星在演化早期阶段形成水的机制的模型。他们提出，行星在形成之初的数百万年时间里，其周围会环绕着富含氢分子的大气层，这是非常普遍的现象。这样的氢包裹层最终会消失，但是会在行星的成分上留下痕迹。
在这项研究中，他们开发了模拟地球形成和演化的模型，以了解地球早期的各类化学特征是否可以复制，并使用这一模型观察了25种不同的化合物和18种不同类型的反应，以此探究富氢大气与岩浆海洋之间的物质交换。他们发现，对婴儿地球而言，富氢大气与岩浆海洋能够发生相互作用，氢气会和岩浆海洋中的氧气反应，产生大量的水。
此前一些“内源说”的解释要求形成地球的物质中含水，这些水是地球最初的“水源”。但是，杨和沙哈尔等人的模型表明，即使通过相互撞击形成婴儿地球的岩石材料完全干燥，也可以通过富氢大气与岩浆海洋的相互作用形成大量的水。
论文发表后，沙哈尔表示，他们的模型只是提供了一种可能，其他水的来源也是可能的。不过，虽然这只是一种可能的解释，但它建立起地球的演化历史与围绕遥远恒星运行的系外行星之间的重要联系。
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实验验证
这是一个很有吸引力的理论模型，却还有待实验的验证。事实上，虽然研究人员围绕地球上水的来源进行了长期的争论，但受制于我们对地球早期环境的了解不够充分以及实验技术的限制，相关实验在很长时间里相当缺乏。还好这一次我们没有等待太久。
此次米奥齐和沙哈尔领导的研究就是通过实验对相关过程进行了模拟。他们使用的装置被称作“金刚石对顶砧装置”（diamond devilcell），这个装置能在两颗金刚石的尖端之间产生极高的压力。实验中，他们将氢气和处于熔融状态的含铁硅酸盐作为样品置于装置中，氢气代表早期行星的大气，而含铁硅酸盐类似于地球原始的地幔，在系外行星中可以代表金属核心形成后的岩浆海洋。他们通过加压到接近60万倍大气压和加热到超过4000摄氏度来模拟系外行星的极端环境。
米奥齐在卡内基科学研究所官网上表示：“这个实验首次提供了在行星演化的早期阶段两个关键过程的实验数据：一是大量的氢被溶解到熔体中，二是氧化铁被氢分子还原后产生了大量的水。”
具体来说，他们在实验中发现了液态水形成的间接证据：富含铁的物质团块和一个可能曾经含水的大空腔。其中的液态水来自硅酸盐中含铁氧化物的还原，同时形成了金属铁。而且，他们的研究还表明，伴随着水的形成，岩浆海洋中还可能存储大量的氢。他们使用质谱法对这些氢进行了研究，发现了氢在熔体中的溶解度是如何随着温度和压力变化的：氢的溶解度主要与温度而不是压力有关。这些溶解的氢可能会对行星内部的结构和化学性质产生重要影响，也会影响行星此后的大气成分。
在金刚石对顶砧装置中模拟地球早期水的形成过程的示意图。（图片来源：卡内基科学研究所）
与此同时，另一项同样使用金刚石对顶砧装置探究水的起源的研究也在进行中。沈相宪领导的团队在研究中面临的一大难题是如何将样品（特别是氢气）压缩到系外行星具有的温度和压力条件下。与米奥齐领导的实验不同，他们在实验中直接使用铁作为样品。实验之初，他们尝试将氢气、橄榄石（也是一种硅酸盐矿物）以及铁在金刚石尖端之间进行压缩。但是，氢气可能在实验中扩散到金刚石对顶砧装置中并导致金刚石破碎。经过数年的努力，他们终于找到了在实验中使用高功率脉冲激光的办法来解决这一难题，并成功创造了高温、高压的条件。
他们使用X射线衍射和拉曼光谱来研究反应产物，并确定在橄榄石、铁和氢气之间发生的特定氧化还原反应，最后还通过质量平衡计算，得到了产生的液态水的数量。实验结果令沈相宪和他的研究团队大吃一惊，他们认为此前的理论预测远远低估了这类反应能够产生的水量：理论预测值可能只有实际过程的1/2000到1/5000。他们的实验表明，这类反应足够在系外行星上创造一个水世界。
这两项接连发表的独立研究就这样互为补充：米奥齐等人的研究得到富氢大气和岩浆海洋相互作用产生水的间接证据以及氢溶解度的直接证据，而沈相宪等人的研究得到了相互作用产生水的直接证据。
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更多研究
新的研究除了为水的起源提供新的可能性外，还有助于回答一个关于行星形成的关键问题。因为距离遥远且探测困难，所以研究人员对系外行星了解的信息不多。但他们可以通过对引力的探测来计算一颗系外行星的密度，然后根据宇宙中的常见元素推断其组成成分。理论上，亚海王星除了是由富含氢气的大气包裹岩质内核（称为“干行星”）外，还可能是富含水的湿润行星（称为“湿行星”）。
在一个恒星系统中，距离中心恒星较近的区域温度高，水可以以液态或气态的形式存在，而较远的区域温度低，水只能以固态的形式存在，两个区域的分界线被称为“雪线”。观测显示，大量富含水的亚海王星位于所在系统的雪线之内。根据此前的理论模型的解释，在形成的最初阶段，如果行星距离恒星太近，其上的水无法存在，因此富含水的行星需要在雪线以外的区域形成和生长，并逐渐向内迁移到现有的轨道。
然而，最新研究指出，如果一颗干燥的系外行星能够从内部产生水分、自行变得湿润，那就不需要前面提到的迁移过程，它们可能就是在目前所在的轨道位置形成的。沈相宪在亚利桑那州立大学官网上表示：“即使在靠近恒星的高温环境中，行星也能制造水。这改变了我们对哪些行星能富含水的看法。”新的研究结果提醒我们，“干行星”和“湿行星”实际上可能代表了行星在同一演化路径上的不同阶段。
近年来，越来越强大的探测手段使得天文学家能够以前所未有的程度了解系外行星大气层成分的细节，这些数据将帮助他们开展更多的实验来验证各种模型，从而对岩质行星上水的起源这一关键问题建立更加全面的图景。例如，两项沙哈尔领导和参与的研究都属于由她领导的“大气实证、理论和实验研究”（AEThER）项目的一部分。这个项目有多家机构参与，横跨天文学、天体化学、行星动力学、岩石学、矿物物理学等多个学科，瞄准银河系中最常见的行星类型，旨在开发一个用于探测遥远行星世界中可能的生命迹象的框架。他们希望了解这些行星的形成和演化如何塑造自身的大气层，并帮助研究人员区分只能由生命过程产生的大气分子以及其他非生命过程产生的大气分子，回答使岩质行星演化出适宜生命存在的条件的特征这个基础性问题。
从现有研究看，“内源说”和“外源说”都获得相关证据的支持，也许地球上的水的确有多样的来源，既有自身“努力”的结果，也有来自天外的“馈赠”。而在另一颗与地球相似的系外行星上，相似的过程可能也给予它大量的水股市杠杆率，并最终提供了生命萌发的契机。
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