在任何一張世界地圖上，最先映入眼簾的不是山巒與國界，而是一整片湛藍。海洋覆蓋地球七成表面，蒸發、凝結、降水往復循環，滋養出森林、河谷與城市，也孕育了生命最初的火種。對我們而言，水習以爲常的存在，以至於很少追問它的“身世”。可在行星科學的視角里，海洋的存在並非“理所當然”。在地球誕生後的最初幾億年，表面灼熱、岩漿橫流，水很難長久停留；而今天的浩瀚海洋，又從何而來？這個看似樸素的問題，困擾了科學家近半個世紀。

2025年，一顆週期約七十年的哈雷型彗星——12P/龐士-布魯克斯（Pons-Brooks）給這個老問題帶來了新的答案。科研團隊藉助智利阿塔卡馬高原上的陣列望遠鏡 ALMA，對這顆彗星的彗發進行了前所未有的三維“水分子畫像”，不僅在空間上分離出普通水與重水的分佈，還精確測得兩者之間的氘氫比。最令人注目的結論是：12P 的水分子“指紋”與地球海水極其相近。這意味着，至少有一類彗星的水，與地球同出一源的可能性空前增大，“彗星曾向地球輸送水”的設想獲得了迄今最有力的實證支撐。

最新研究顯示，哈雷型彗星水與地球海水的“分子指紋”高度匹配（想象圖）

（圖片來源：美國國家航空航天局）

水的“身份證”：氘氫比的線索

科學追蹤水的來源，靠的是一個並不直觀卻異常好用的線索——氘氫比。氫是宇宙裏最輕的元素，它的“大體重”同位素叫氘。由氘參與形成的水分子被稱爲“重水”，常以 HDO 的形式被識別。溫度、密度、化學反應路徑不同，都會讓水在形成時“摻”進不一樣比例的氘，就像在一鍋清湯裏滴入不同顏色的墨水，最終呈現各自穩定的色調。於是，氘氫比就成了一枚分子層面的“身份證”——地球海水有自己的標準數值，彗星、小行星、星際雲團的氘氫比也各有特徵。把它們一一比對，就可能追溯出海洋的身世。

氫元素的三種同位素，從左至右依次爲氕、氘、氚，其中的氕在很多場合下沿用“氫”這個叫法，本文中的氫皆爲氕，即氫最常見的同位素

（圖片來源：維基百科）

然而，這條路並不好走。二十世紀末以來，科學家陸續測得多顆彗星的氘氫比，結果多半“偏高”，有的甚至接近地球的兩倍。那段時間，“小行星送水說”因此流行起來：一些碳質球粒隕石的氘氫比與地球吻合得更好，似乎更像真正的“快遞員”。直到歐洲“羅塞塔”探測器造訪 67P/丘留莫夫-格拉西緬科彗星，得到同樣偏高的數值，彗星在公衆心中的“送水員”角色一度淡出視野。人們開始懷疑：也許海洋主要是依賴小行星搬來的，彗星只是配角。

ALMA：看清彗星水分子的“宇宙巨眼”

12P 的迴歸，讓劇情出現轉折。這一次，關鍵不是“又測了一顆”，而是“怎麼測”的飛躍。ALMA 的優勢在於毫米/亞毫米波段的極高靈敏度與空間分辨率。彗發裏重水的輻射線很弱，常常被背景噪聲湮沒。ALMA 將六十多臺天線分佈在高原上，通過干涉成像把彼此的信號“拼”在一起，相當於構造了一面口徑巨大的“合成鏡面”。科研團隊據此不僅捕捉到 HDO 的譜線，還能在彗核周圍“繪圖”，看清這些分子的分佈究竟是從冰核直接昇華，還是在彗發裏二次生成。這個區分至關重要：只有來自冰核的分子，才保留着太陽系早期的“原味信息”。

在這種空間分離的基礎上，研究人員對 12P 的氘氫比進行了精確估算，發現它與地球海水高度一致。把這個結果放回到四十多年的爭論史裏，它像一塊關鍵拼圖，卡在了恰當的位置——不能據此斷言“所有彗星都能解釋地球海洋的起源”，卻足以說明“並非所有彗星都不具備這一可能性”。換句話說，太陽系裏至少存在一類彗星，它們的水與地球“同款同配”。對“彗星輸水說”而言，這當然是份來之不易的證據。

氫氣（上）與氘氣（下）在氣體放電管中發光，分別呈現不同的光學及譜線特徵。探測彗星中的氘氫比原理與之類似，儀器將探測其不同的譜線特徵來確定氫同位素的種類與相對含量。

（圖片來源：維基百科）

爲什麼是 12P彗星？

12P/龐士–布魯克斯彗星是一顆週期彗星，公轉週期約爲71年。它符合經典的哈雷型彗星定義（軌道週期介於20年至200年之間），同時也是已知最明亮的週期彗星之一，在接近近日點時其絕對星等可達約5等。龐士–布魯克斯彗星最早於1812年7月由讓-路易·龐士在馬賽天文臺發現，後於1883年由威廉·羅伯特·布魯克斯再次觀測確認。

“哈雷型”彗星軌道離心率較大，每次靠近太陽都會劇烈“冒氣”。當溫暖的陽光照到彗核，被冰裹挾的塵粒從表層釋放，形成我們肉眼可見的彗發與長尾，也在微波望遠鏡裏點亮一條條分子譜線。ALMA 觀測鎖定的，正是這“冒氣”的剖面。研究團隊在彗核附近看到了重水與普通水的同位素分佈基本一致，說明信號直接來自昇華冰，而非彗發中的後期化學反應。若是後者，氘氫比往往會被環境條件改寫，丟失“古老記憶”。如今的證據卻指向另一個結論：12P 搭載的，是一段幾乎未被加工過的遠古冰史。

12P/龐士–布魯克斯彗星

（圖片來源：維基百科）

從個案到圖景：研究方法與未來方向

“與地球相近”的意義何在？科學家用“指紋”來打比方，是因爲不同“水源地”的氘氫比確實穩定而可辨：原行星盤的溫度梯度、形成水冰的地方、氣固相反應的節律，都會在這枚“指紋”上留下長期可讀的痕跡。地球海水的“指紋”早已被無數次校準，它像一把“母鑰匙”，等待在宇宙倉庫裏尋找能打開它的那把“配鑰”。12P 的測量結果，恰像一把契合度極高的新鑰匙。一旦確認“鑰匙—鎖孔”的匹配並非偶然，就意味着在地球早年遭遇的天體“快遞”中，彗星至少貢獻過不小的一份。

誠然，任何單一樣本的成功，都不能取代統計意義上的穩固結論。科學家很清楚這一點，因此格外強調“取樣策略”的重要性。太陽系的彗星並非同質，誕生地可能來自柯伊伯帶，也可能來自奧爾特雲；經歷的“日曬雨淋”不同，表層成分也會隨之老化、被陽光烤蝕或被撞擊翻新。對 12P 的觀測展示了一種方法學突破：用空間分辨去排除次生化學的干擾，用三維分佈去接近“從冰而來”的本底。方法一旦成熟，不同軌道族羣、不同“年齡”的彗星都能納入同一把“標尺”之下比較，從而把“個案驚喜”變成“族羣全景”。

柯伊伯帶的半長軸與偏心率結構。橙色表示冥衛一類天體（Plutinos），紅色表示其他共振天體。天藍色表示非共振的“熱古柏帶天體”，深藍色表示“冷古柏帶天體”。板藍色部分爲妊神星（Haumea）碰撞族。圖中標註了若干重要天體。（圖片來源：維基百科）

回望曲折科學史——並不戲劇的“翻案”

20世紀八十年代，彗星被普遍認爲含冰豐富，天馬行空的“送水”想象自然流行；隨後，哈雷彗星與多顆“長週期彗星”的偏高氘氫比讓研究陷入瓶頸，小行星於是成爲更受認可的“候選者”；再到“羅塞塔”近身實測 67P 後的結果，讓不少人斷言彗星“送水”無望。12P 的“合拍”提醒我們：在一個成分複雜、演化各異的體系裏，用幾顆樣本就給全體定性，風險始終存在。科學穩步前行的方式，是不斷改良儀器、優化方法、擴大樣本，而不是在“是與非”的極端搖擺之間抓鬮。

把視線再拉遠些，12P 之所以令人興奮，還因爲它把“水”這件尋常之物重新放回了宇宙脈絡裏。水不只是一種分子，它還是行星表面地貌的雕刻師、氣候系統的發動機、生命化學反應的溶劑，甚至是文明敘事的隱喻。假如彗星確曾爲地球送來部分水與有機分子，那麼我們對“生命稀有或普遍”的判斷也會被悄然調整——彗星在恆星系中並不罕見，若它們普遍參與“播種”，那麼在一條條宜居帶裏，海洋並非遙不可及，生命也許並非偶然孤例。

這當然不是浪漫想象。天文學在系外行星大氣中已經多次識別出水汽、甲烷、二氧化碳等分子。把 12P 這類觀測與系外行星的化學譜系放在一起，科學家開始勾勒一幅更宏闊的“水循環宇宙圖”：在原行星盤的冰線上，水冰包裹塵埃團粒，凝聚成彗核；彗星在行星形成與遷移期被散射進內層，帶來冰和有機物；行星擁有海洋後，依靠地質與大氣循環把水保留下來；更久遠的未來，水又以蒸發、逃逸或撞擊轉運的方式離去。地球只是這條大循環上的一個節點，12P 則像一枚來自環路上游的“郵戳”，提醒我們查收那封久違的“宇宙來信”。

每一滴水都可能是宇宙的來信

在公衆文化中，彗星曾經是不祥的象徵。它們突兀地“闖入”人類的夜空記憶，帶着長尾與光輝，也裹着瘟疫與戰火的聯想。可在現代科學的敘述裏，彗星慢慢褪去“災星”的神祕外衣，露出“時間膠囊”的真實面目：它們在太陽系寒冷的邊陲緩慢生長，遠離劇烈的化學翻攪，把 45 億年前的物質配方小心密封。每一次近日點的“炙烤”像一次短暫的拆封，讓我們得以窺見遠古的物質與比例。12P 的這張“化驗單”，便是一次恰到好處的拆封：既足夠接近，又沒有被過度蒸騰而丟失信息。

學術上，12P 帶來的並非“終局答案”，而是一種更可複製的研究路徑。未來幾年，研究者準備把同樣的“空間分辨—同位素測量”框架推廣至更多目標，覆蓋不同動力學族羣、不同熱史階段與不同迴歸時相。統計意義的“水譜系”一旦建立，關於“彗星與小行星各自貢獻幾何、在什麼時代貢獻更大”的爭議，纔有望真正釐清。屆時，“地球海洋的身世”或許能從“敘事”“設想”上升爲“量化”的章節。

讀懂“宇宙來信”意義何在？

在新聞報道的語境裏，人們總愛問一句“這有什麼用”。從技術層面看，觀測方法的完善會反哺更廣泛的天體化學研究，幫助我們在原行星盤、行星際介質乃至行星大氣中更可靠地追蹤水的行蹤。從科學史的層面看，它校正了一個長期受限於樣本的認知偏差，提醒我們在複雜體系裏保持耐心與邊界感。從科學傳播的層面看，它把“你我手中這一杯水”與“億萬裏之外的一枚遠古冰核”連接起來，讓日常之物擁有宇宙的維度——這正是科普之於公衆的意義所在：用證據與方法把“浪漫的想象”變成“可驗證的科學洞見”。

當我們真正把目光放回到杯中，會發現那清澈的點滴也在講述自己的旅途。它可能源於太陽系邊緣的極寒黑夜，被塵埃包裹，在億萬年裏靜默無言；某一次引力的巧合把它推向太陽，從冰封到蒸騰，它穿行星際空間，撞擊在一顆尚年輕的巖質星球；地殼冷卻之後，它在岩石縫隙裏緩慢滲流，匯入溪流，再流向大海；蒸發、凝結、成雲、成雨，最終落在億萬年後的稻田、屋檐或孩子伸出的手心裏。12P 的觀測只是把這段旅程的“上游”照亮了一瞬，而理解這整條河流，仍需要我們沿着證據繼續向前。

當今海洋中的水，有多少來自宇宙空間？

（圖片來源：作者拍攝）

參考文獻：

[1] Biver, N., Roth, N. X., Cordiner, M. A., Coulson, I. M., Milam, S. N., Charnley, S. B., … & Villanueva, G. L. (2025). *A D/H Ratio Consistent with Earth’s Water in Halley-type Comet 12P from ALMA HDO Mapping*. Nature Astronomy.

出品：科普中國

作者：吳剛（中國科學院先進技術研究院）

監製：中國科普博覽