[비즈한국] 我們究竟來自何方？天文學對這個問題給出了非常精彩的回答：我們都是“星塵”。我們所有人都是恆星和宇宙塵埃。這不僅僅是比喻，在科學上確實如此。我們全都是由很久以前爆炸消失的恆星所留下的材料構成的。
如果從原子層面拆解來看，這句話完全正確。但如果我們從這些原子一個接一個聚集形成更復雜分子的過程來看，依然存在許多未解之謎。其中最令我們困惑的，正是水的起源。地球表面70%被海洋覆蓋。水是地球生命最重要的材料。但令人驚訝的是，對於這些水究竟從何而來，我們至今仍未得到確切的答案。
單看由兩個氫原子和一個氧原子組成的水分子，水在宇宙中是隨處可見的常見成分。自然而然，我們會認為宇宙各處都存在著與地球之水相同的水。例如，在太陽系邊緣的小行星和彗星中就有水冰。即使是從太陽系外飛來的星際天體，上面也結著冰。人們很容易認為，它們所含的水與我們地球的水並沒有太大區別。這種認為水非常普遍的期待，自然也延伸到了對外星生命的期待上。
然而，宇宙展現出的面貌卻完全出乎意料。令人困惑的是，地球上的水顯得非常特殊。它看起來像是地球獨有的、在太陽系其他地方難以尋覓的非凡之水。
2025年，一位非常陌生的訪客來到了太陽系。它就是3I/ATLAS。顧名思義，它是正式確認的第三個星際天體。它不是與我們在太陽系內一同誕生、一同成長的所屬小行星或彗星，而是在完全不同的恆星周圍形成，隨後離開原本的故鄉，穿越星際空間偶然進入太陽系的“星際訪客”。
2017年首次被發現的星際天體“奧陌陌”（Oumuamua），因其奇特的軌道和細長又陌生的形態，讓我們更加激動。有些人甚至期待它可能不是自然天體，而是外星文明的探測器。2019年，第二個星際天體“鮑裡索夫”（Borisov）被發現。與首次發現相比，這次發現非常平淡，人們也沒有給予太大關注。它表現出了遠比奧陌陌更平凡的彗星特徵。隨著冰的昇華，周圍形成了由氣體和塵埃組成的巨大彗發，並拖著彗尾。接著在2025年，第三位訪客3I/ATLAS到訪了。
這個天體究竟從何處、何時飛來？正是這種簡單的問題將我們引向了更驚人的未知。天文學家們探究了這個天體在星際空間中流浪了多久，以及其內部是否隱藏著外星生命的線索。他們期待能得到一些線索，以回應那種認為太陽系之外廣袤宇宙中，與地球類似的水和生命材料或許非常普遍的期待。然而令人不安的是，他們面臨的結果恰恰相反。
3I/ATLAS也蘊含著水冰。但它由比地球之水重得多的水分子組成。更準確地說，構成水分子的氫不是普通的輕氫，而是更重的氫同位素。這被稱為重氫，即氘（Deuterium）。如果水分子中的一個氫是氘，則形成HDO。這被稱為半重水（semi-heavy water）。如果兩個氫全是氘，則是D2O。這被狹義地稱為重水。事實上，在天文學中HDO更為重要。因為氘本身就極其稀有，所以兩個氫全為氘的水分子極為罕見。因此，僅測量HDO的比例，就能瞭解該處的水是在何種環境下誕生的。
那麼，氘究竟是從哪裡來的呢？氘在寒冷的環境中更容易產生。在恆星誕生之前，寒冷的分子云中，H3+離子起著至關重要的作用。這種離子與普通氫結合一個氘形成的HD分子發生反應，產生H2D+。這種反應在溫度越低時越容易發生。相反，如果溫度升高，反應會向產生H3+離子的方向逆轉。自然地，含有氘的離子和分子的數量就會減少。
因此，在極寒的環境中，會產生更多含有氘的離子和分子。這樣產生的氘會凍結在分子云中塵埃顆粒的粗糙表面，進入水冰之中。當這些冰後來被揉合成彗星或微行星時，它內部完整保留了氘水冰凍結那一刻的環境。因此，測量彗星冰中D/H同位素的比例，就可以推斷出該天體最初凍結和形成時的環境。
2025年11月4日，在3I/ATLAS經過距離太陽最近的近日點後不久，智利的ALMA射電望遠鏡瞄準了該天體。當時3I/ATLAS距離太陽僅1.37AU。這個距離足以產生強烈的水冰昇華。天文學家透過ALMA仔細搜尋了水、半重水HDO以及甲醇CH3OH留下痕跡的光譜。
結果顯示出了HDO和多種甲醇的發射線。普通水的訊號並沒有明顯顯現。既然3I/ATLAS也是彗星，理應含有大量水冰，但卻看不到普通的水，幾乎全都是HDO。僅靠簡單的比例計算方式，很難找到有意義的D/H數值。因此，他們使用了更精確的方法。利用了既非水也非半重水的意外物質——甲醇。利用甲醇分子處於激發態的狀態，間接推測了3I/ATLAS彗發中正在產生多少水。
在彗星的彗發中，甲醇分子在與周圍其他分子碰撞時被激發到特定的能級。隨後，當它們降回到低能量狀態時，會發射特定波長的無線電波。此時，檢視甲醇發射的光譜形狀，就可以知道該處甲醇分子的密度有多高，溫度有多低。假設在彗星彗發中與甲醇分子碰撞的最主要物件是水分子，那麼甲醇分子的激發狀態就是顯示周圍水分子密度和水生成率的指標。據估計，3I/ATLAS的彗發溫度約為70K。應用這一溫度，得出結論：3I/ATLAS每秒產生約10^29個水分子。
但接受這個數值存在侷限性。因為實際上3I/ATLAS的彗發不僅產生水分子，還可能產生二氧化碳、一氧化碳、甲醇等其他揮發性氣體分子。特別是3I/ATLAS相比太陽系其他彗星，據研究顯示含有非常多的二氧化碳。因此，該數值應視為其水量的上限，而非3I/ATLAS中確切的水量。基於此，比較HDO的量和水分子的上限值，3I/ATLAS的D/H比例大約為6.6×10^−3左右。單看數字似乎很小，但這個水平比地球海水的D/H比例高出了40倍以上。3I/ATLAS被凍結在由比地球重得多的氫構成的、更重的水分子中。
但這裡需要注意的是，實際上3I/ATLAS中普通水分子的數量可能更少。如前所述，此次分析中使用的水分子估算值是上限值。實際上由於可能存在更多二氧化碳、一氧化碳等其他分子，水分子的總量可能會更少。然而在D/H比例中，普通水分子的數量處於分母位置。因此，如果實際水分子的數量減少，D/H的值就會變得更大。僅憑這次粗略的估計，3I/ATLAS顯示的數值就已經超過了地球海水比例的40倍，實際上這個數值可能會比這大得多！
這不僅僅是“3I/ATLAS的水味與地球略有不同”這種程度的故事。這一驚人的結果表明，3I/ATLAS是一個在與太陽系彗星完全不同的環境下誕生的存在。進而展示了在太陽系之外的另一顆恆星旁，行星、小行星和彗星是如何誕生的，那裡的冰和水是在何種條件下形成的。它還為我們地球和太陽系從整個宇宙來看究竟是多麼普遍，還是多麼獨特的地方，提供了線索。
那麼，3I/ATLAS誕生的地方究竟與我們的太陽系有多大的不同呢？第一，3I/ATLAS極有可能是在比太陽系彗星還要寒冷得多的環境下形成的。氘的富集通常在低於30K的極端寒冷環境下才能高效發生。太陽系的彗星當然也是在非常寒冷的地方凍結的，但3I/ATLAS提供了它是在比那更極端低溫環境下誕生的線索。
第二，3I/ATLAS的故鄉恆星可能是在與太陽截然不同的環境下誕生的恆星。太陽極有可能是在一個恆星較為密集的星團環境中誕生的。雖然現在因為它在力學競爭中落敗而孤獨地閃耀，但單看太陽本身，它是一顆極其普通的恆星。如果太陽誕生之初周圍有其他恆星，鄰近恆星強烈的紫外線輻射會加熱原始太陽系邊緣的冰和氣體。在這種環境下，水冰的D/H比例很難變得如此極端之高。
但是，如果3I/ATLAS的故鄉恆星處於一個更加孤立的環境中，附近幾乎沒有可以照亮彗星的鄰居恆星，那麼3I/ATLAS的環境就會保持得更加寒冷。其結果可能是冰中濃縮了更高比例的氘。
第三種可能性是，3I/ATLAS是在距離其故鄉恆星極其遙遠的原始行星系最外側邊緣形成的。在靠近恆星的地方，水和有機分子大多經歷了反覆的加熱、蒸發後再凍結的過程。這一過程中，原來極端低溫環境下留下的痕跡可能會消失。但如果3I/ATLAS從最初誕生到逃離故鄉之前，一直都在故鄉恆星的邊緣遊蕩，那麼極低溫的環境就能一直維持。這樣形成的冰微行星就可以儲存更原始的同位素組成。
第四種可能性是，3I/ATLAS可能在非常早的時期，即在故鄉恆星旁剛誕生時就被彈射出來了。如果它在故鄉恆星旁停留太久，恆星中心的光芒就會加熱冰體。此外，它還會不斷經歷與其他周圍天體的碰撞，以及周圍其他大型行星在引力上的加熱過程。在此過程中，氘應該會大量消失。然而，如果它在誕生後立即被彈出故鄉恆星，那麼它就有可能在氘還沒來得及消失的情況下，以高D/H比例開始了星際旅行。
想到在星際空間中流浪是多麼艱苦的旅程，3I/ATLAS展現出的面貌真是令人驚歎。僅僅因為逃離了故鄉恆星系，並不意味著它完全躲避了熾熱的星光。宇宙中依然有太多的恆星，對於恆星來說僅僅是微小彗星碎片的3I/ATLAS，很容易被鄰近其他恆星的引力所裹挾。哪怕只是經過其他恆星附近，它也會立即與宇宙射線、紫外線、星際物質相互作用，導致其表面化學成分迅速變質。然而，3I/ATLAS卻驚人地完好保持了它在極低溫環境下形成的原始面貌。
最終，最自然的解釋是，儘管經歷了星際空間如此嚴苛的環境，D/H依然高到這種程度，說明它最初就是以D/H比例非常非常高的狀態開始的。
3I/ATLAS是星際版的隕石。就像雖然很難直接去火星，但透過收集偶爾掉落在地球上的火星隕石，可以間接探究火星成分一樣，雖然無法直接訪問太陽系外的其他恆星和系外行星，但多虧了歷經漫長時間和距離飛向我們的3I/ATLAS，我們可以推測系外行星是在多麼多樣化的環境下誕生的。此前我們只能看著遠在數百數千光年之外、模糊的系外行星輪廓，去觀察淹沒在模糊光譜中的水分子痕跡，但多虧了突然到訪的3I/ATLAS，我們得以近距離分析外星的成分。
彗星常被視為展示太陽系形成初期歷史的“時間膠囊”。簡單來說，彗星就是骯髒的冰，是冰中混雜著岩石和塵埃的團塊。隨著靠近太陽，表面的冰昇華，拉出長長的彗尾。此時分析發射出的分子成分，就能知道彗星內含有的冰的化學組成。長期在太陽系邊緣被嚴嚴實實凍結住的彗星，在受太陽引力吸引而靠近太陽的過程中，會自己流露出它長久以來珍藏的秘密。
參考
https://www.nature.com/articles/s41550-026-02850-5
作者池雄培（Ji Woong-bae）是誰？他熱愛貓與宇宙。童年時在看了《銀河鐵道999》後，立下了向世人宣傳宇宙之美的夢想。目前作為世宗大學自由專業學部教授，進行演講、寫作等多種科學傳播活動。著有《關於天文學家的無用之用》、《我們都是作為天文學家誕生的》、《看著宇宙時浮現的奇怪問題》等書，並翻譯了《我為何殺死了冥王星》、《量子生活》、《UFO》等作品。