臺北市立天文科學教育館

水是地球上不可或缺的生命成分，扮演著創造和維持生命的重要角色。事實上，水分子在地球形成之前就已存在。地球形成階段末期，大量水被注入地表，形成了獨特的海洋。然而，在此之前，水是如何在星際空間中循環的？最新研究發現，在獵戶座星雲核心的一個原始行星盤中存在大量水的破壞和重新形成。這項研究已發表在《自然·天文學》期刊上（Zannese et al. 2024)。

天文學家提出理論，水是原始行星盤中的重要成分。在太陽系幼年時期，水存在於原始行星盤中，早於行星形成。此時，水主要以冰體形式存在或被鎖藏在岩石中，也存在於星際空間中。隨著時間推移，地球大部分水被運輸到形成行星的區域，融化或釋放氣體，形成了今日的海洋、河流和湖泊。然而，在太陽系形成之初，一些水可能經歷了「冰凍-解凍」循環。這種情況發生在太陽系的盤面還只是由氣體和塵埃組成時。水在強烈的紫外線輻射環境中被摧毀，然後重新形成。雖然我們無法在現今的地球系統中再現這種效應，但天文學家可以將望遠鏡對準其他原始行星盤，以研究這樣的水循環過程。

為了理解星際空間中的水循環，研究團隊將詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（James Webb Space Telescope）對準位於獵戶座星雲的一個原始行星盤，距離地球約1,350光年，名為「d203-506」，這是一個行星系統的養育地。中心恆星產生的強烈紫外輻射導致d203-506中水的破壞和重新形成，使其成為一個真正的星際水循環實驗室。當水被紫外光破壞時，水分子分解為氫氧根離子，同時釋放紅外線。韋伯太空望遠鏡可以檢測到氫氧根離子釋放的紅外線，進而計算氫氧根離子的數量。研究團隊估計，d203-506系統中的水循環過程，每個月破壞並補充相當於地球所有海洋的水量。

左圖和中間圖：韋伯太空望遠鏡觀測到的埋藏在獵戶座星雲中原始行星盤d203-506。© NASA / ESA / CSA / PDRs4All / Salomé.

右圖：動畫展示了韋伯太空望遠鏡觀測揭示了水的形成和破壞過程。© M. Zannese.

d203-506系統最初是一個沒有恆星的星雲，只有氣體和塵埃，如同我們太陽系在45億年前的狀態。在這樣的寒冷環境中，含有水冰或水質豐富的物質。當某些因素促使星雲中某些區域凝聚成較高密度，並在重力作用下繼續收縮，溫度升高，最終形成恆星。恆星的紫外線照射周圍環境，導致水分子的破壞和補充。因此，d203-506成為了研究幼年太陽系水循環的一個良好模型。據推測，地球海洋中的水可能也經歷了類似的過程。最終，這些水流向了小行星和冰體，幫助形成了我們太陽系的世界。而外太陽系的冰體可能沒有經歷相同的極端加熱、破壞和補充，因為它們距離太陽較遠，太陽的輻射影響較小。這也是行星科學家對遙遠冰體採樣感興趣的原因之一，它們的「原始」水冰是形成太陽和行星之前星雲條件的良好樣本。

（編譯／段皓元）

資料來源：Western News