[비즈한국] 我们究竟来自何方？天文学对这个问题给出了非常精彩的回答：我们都是“星尘”。我们所有人都是恒星和宇宙尘埃。这不仅仅是比喻，在科学上确实如此。我们全都是由很久以前爆炸消失的恒星所留下的材料构成的。
如果从原子层面拆解来看，这句话完全正确。但如果我们从这些原子一个接一个聚集形成更复杂分子的过程来看，依然存在许多未解之谜。其中最令我们困惑的，正是水的起源。地球表面70%被海洋覆盖。水是地球生命最重要的材料。但令人惊讶的是，对于这些水究竟从何而来，我们至今仍未得到确切的答案。
单看由两个氢原子和一个氧原子组成的水分子，水在宇宙中是随处可见的常见成分。自然而然，我们会认为宇宙各处都存在着与地球之水相同的水。例如，在太阳系边缘的小行星和彗星中就有水冰。即使是从太阳系外飞来的星际天体，上面也结着冰。人们很容易认为，它们所含的水与我们地球的水并没有太大区别。这种认为水非常普遍的期待，自然也延伸到了对外星生命的期待上。
然而，宇宙展现出的面貌却完全出乎意料。令人困惑的是，地球上的水显得非常特殊。它看起来像是地球独有的、在太阳系其他地方难以寻觅的非凡之水。
2025年，一位非常陌生的访客来到了太阳系。它就是3I/ATLAS。顾名思义，它是正式确认的第三个星际天体。它不是与我们在太阳系内一同诞生、一同成长的所属小行星或彗星，而是在完全不同的恒星周围形成，随后离开原本的故乡，穿越星际空间偶然进入太阳系的“星际访客”。
2017年首次被发现的星际天体“奥陌陌”（Oumuamua），因其奇特的轨道和细长又陌生的形态，让我们更加激动。有些人甚至期待它可能不是自然天体，而是外星文明的探测器。2019年，第二个星际天体“鲍里索夫”（Borisov）被发现。与首次发现相比，这次发现非常平淡，人们也没有给予太大关注。它表现出了远比奥陌陌更平凡的彗星特征。随着冰的升华，周围形成了由气体和尘埃组成的巨大彗发，并拖着彗尾。接着在2025年，第三位访客3I/ATLAS到访了。
这个天体究竟从何处、何时飞来？正是这种简单的问题将我们引向了更惊人的未知。天文学家们探究了这个天体在星际空间中流浪了多久，以及其内部是否隐藏着外星生命的线索。他们期待能得到一些线索，以回应那种认为太阳系之外广袤宇宙中，与地球类似的水和生命材料或许非常普遍的期待。然而令人不安的是，他们面临的结果恰恰相反。
3I/ATLAS也蕴含着水冰。但它由比地球之水重得多的水分子组成。更准确地说，构成水分子的氢不是普通的轻氢，而是更重的氢同位素。这被称为重氢，即氘（Deuterium）。如果水分子中的一个氢是氘，则形成HDO。这被称为半重水（semi-heavy water）。如果两个氢全是氘，则是D2O。这被狭义地称为重水。事实上，在天文学中HDO更为重要。因为氘本身就极其稀有，所以两个氢全为氘的水分子极为罕见。因此，仅测量HDO的比例，就能了解该处的水是在何种环境下诞生的。
那么，氘究竟是从哪里来的呢？氘在寒冷的环境中更容易产生。在恒星诞生之前，寒冷的分子云中，H3+离子起着至关重要的作用。这种离子与普通氢结合一个氘形成的HD分子发生反应，产生H2D+。这种反应在温度越低时越容易发生。相反，如果温度升高，反应会向产生H3+离子的方向逆转。自然地，含有氘的离子和分子的数量就会减少。
因此，在极寒的环境中，会产生更多含有氘的离子和分子。这样产生的氘会冻结在分子云中尘埃颗粒的粗糙表面，进入水冰之中。当这些冰后来被揉合成彗星或微行星时，它内部完整保留了氘水冰冻结那一刻的环境。因此，测量彗星冰中D/H同位素的比例，就可以推断出该天体最初冻结和形成时的环境。
2025年11月4日，在3I/ATLAS经过距离太阳最近的近日点后不久，智利的ALMA射电望远镜瞄准了该天体。当时3I/ATLAS距离太阳仅1.37AU。这个距离足以产生强烈的水冰升华。天文学家通过ALMA仔细搜索了水、半重水HDO以及甲醇CH3OH留下痕迹的光谱。
结果显示出了HDO和多种甲醇的发射线。普通水的信号并没有明显显现。既然3I/ATLAS也是彗星，理应含有大量水冰，但却看不到普通的水，几乎全都是HDO。仅靠简单的比例计算方式，很难找到有意义的D/H数值。因此，他们使用了更精确的方法。利用了既非水也非半重水的意外物质——甲醇。利用甲醇分子处于激发态的状态，间接推测了3I/ATLAS彗发中正在产生多少水。
在彗星的彗发中，甲醇分子在与周围其他分子碰撞时被激发到特定的能级。随后，当它们降回到低能量状态时，会发射特定波长的无线电波。此时，查看甲醇发射的光谱形状，就可以知道该处甲醇分子的密度有多高，温度有多低。假设在彗星彗发中与甲醇分子碰撞的最主要对象是水分子，那么甲醇分子的激发状态就是显示周围水分子密度和水生成率的指标。据估计，3I/ATLAS的彗发温度约为70K。应用这一温度，得出结论：3I/ATLAS每秒产生约10^29个水分子。
但接受这个数值存在局限性。因为实际上3I/ATLAS的彗发不仅产生水分子，还可能产生二氧化碳、一氧化碳、甲醇等其他挥发性气体分子。特别是3I/ATLAS相比太阳系其他彗星，据研究显示含有非常多的二氧化碳。因此，该数值应视为其水量的上限，而非3I/ATLAS中确切的水量。基于此，比较HDO的量和水分子的上限值，3I/ATLAS的D/H比例大约为6.6×10^−3左右。单看数字似乎很小，但这个水平比地球海水的D/H比例高出了40倍以上。3I/ATLAS被冻结在由比地球重得多的氢构成的、更重的水分子中。
但这里需要注意的是，实际上3I/ATLAS中普通水分子的数量可能更少。如前所述，此次分析中使用的水分子估算值是上限值。实际上由于可能存在更多二氧化碳、一氧化碳等其他分子，水分子的总量可能会更少。然而在D/H比例中，普通水分子的数量处于分母位置。因此，如果实际水分子的数量减少，D/H的值就会变得更大。仅凭这次粗略的估计，3I/ATLAS显示的数值就已经超过了地球海水比例的40倍，实际上这个数值可能会比这大得多！
这不仅仅是“3I/ATLAS的水味与地球略有不同”这种程度的故事。这一惊人的结果表明，3I/ATLAS是一个在与太阳系彗星完全不同的环境下诞生的存在。进而展示了在太阳系之外的另一颗恒星旁，行星、小行星和彗星是如何诞生的，那里的冰和水是在何种条件下形成的。它还为我们地球和太阳系从整个宇宙来看究竟是多么普遍，还是多么独特的地方，提供了线索。
那么，3I/ATLAS诞生的地方究竟与我们的太阳系有多大的不同呢？第一，3I/ATLAS极有可能是在比太阳系彗星还要寒冷得多的环境下形成的。氘的富集通常在低于30K的极端寒冷环境下才能高效发生。太阳系的彗星当然也是在非常寒冷的地方冻结的，但3I/ATLAS提供了它是在比那更极端低温环境下诞生的线索。
第二，3I/ATLAS的故乡恒星可能是在与太阳截然不同的环境下诞生的恒星。太阳极有可能是在一个恒星较为密集的星团环境中诞生的。虽然现在因为它在力学竞争中落败而孤独地闪耀，但单看太阳本身，它是一颗极其普通的恒星。如果太阳诞生之初周围有其他恒星，邻近恒星强烈的紫外线辐射会加热原始太阳系边缘的冰和气体。在这种环境下，水冰的D/H比例很难变得如此极端之高。
但是，如果3I/ATLAS的故乡恒星处于一个更加孤立的环境中，附近几乎没有可以照亮彗星的邻居恒星，那么3I/ATLAS的环境就会保持得更加寒冷。其结果可能是冰中浓缩了更高比例的氘。
第三种可能性是，3I/ATLAS是在距离其故乡恒星极其遥远的原始行星系最外侧边缘形成的。在靠近恒星的地方，水和有机分子大多经历了反复的加热、蒸发后再冻结的过程。这一过程中，原来极端低温环境下留下的痕迹可能会消失。但如果3I/ATLAS从最初诞生到逃离故乡之前，一直都在故乡恒星的边缘游荡，那么极低温的环境就能一直维持。这样形成的冰微行星就可以保存更原始的同位素组成。
第四种可能性是，3I/ATLAS可能在非常早的时期，即在故乡恒星旁刚诞生时就被弹射出来了。如果它在故乡恒星旁停留太久，恒星中心的光芒就会加热冰体。此外，它还会不断经历与其他周围天体的碰撞，以及周围其他大型行星在引力上的加热过程。在此过程中，氘应该会大量消失。然而，如果它在诞生后立即被弹出故乡恒星，那么它就有可能在氘还没来得及消失的情况下，以高D/H比例开始了星际旅行。
想到在星际空间中流浪是多么艰苦的旅程，3I/ATLAS展现出的面貌真是令人惊叹。仅仅因为逃离了故乡恒星系，并不意味着它完全躲避了炽热的星光。宇宙中依然有太多的恒星，对于恒星来说仅仅是微小彗星碎片的3I/ATLAS，很容易被邻近其他恒星的引力所裹挟。哪怕只是经过其他恒星附近，它也会立即与宇宙射线、紫外线、星际物质相互作用，导致其表面化学成分迅速变质。然而，3I/ATLAS却惊人地完好保持了它在极低温环境下形成的原始面貌。
最终，最自然的解释是，尽管经历了星际空间如此严苛的环境，D/H依然高到这种程度，说明它最初就是以D/H比例非常非常高的状态开始的。
3I/ATLAS是星际版的陨石。就像虽然很难直接去火星，但通过收集偶尔掉落在地球上的火星陨石，可以间接探究火星成分一样，虽然无法直接访问太阳系外的其他恒星和系外行星，但多亏了历经漫长时间和距离飞向我们的3I/ATLAS，我们可以推测系外行星是在多么多样化的环境下诞生的。此前我们只能看着远在数百数千光年之外、模糊的系外行星轮廓，去观察淹没在模糊光谱中的水分子痕迹，但多亏了突然到访的3I/ATLAS，我们得以近距离分析外星的成分。
彗星常被视为展示太阳系形成初期历史的“时间胶囊”。简单来说，彗星就是肮脏的冰，是冰中混杂着岩石和尘埃的团块。随着靠近太阳，表面的冰升华，拉出长长的彗尾。此时分析发射出的分子成分，就能知道彗星内含有的冰的化学组成。长期在太阳系边缘被严严实实冻结住的彗星，在受太阳引力吸引而靠近太阳的过程中，会自己流露出它长久以来珍藏的秘密。
参考
https://www.nature.com/articles/s41550-026-02850-5
作者池雄培（Ji Woong-bae）是谁？他热爱猫与宇宙。童年时在看了《银河铁道999》后，立下了向世人宣传宇宙之美的梦想。目前作为世宗大学自由专业学部教授，进行演讲、写作等多种科学传播活动。著有《关于天文学家的无用之用》、《我们都是作为天文学家诞生的》、《看着宇宙时浮现的奇怪问题》等书，并翻译了《我为何杀死了冥王星》、《量子生活》、《UFO》等作品。