韋伯太空望遠鏡揭示星際空間的水循環

水是地球不可或缺的生命成分，扮演創造和維持生命的重要角色。水分子在地球形成前就存在，地球形成階段末期，大量水注入地表形成海洋。然而在此之前，水是如何在星際空間循環？最新研究發現，獵戶座星雲核心的原始行星盤有大量水破壞和重新形成，研究發表於《自然‧天文學》期刊（Zannese et al. 2024)。

天文學家提出理論，水是原始行星盤的重要成分，太陽系幼年期，水存在原始行星盤，早於行星形成，此時水以冰形式存在或鎖在岩石內，也存於星際空間。之後地球大部分水運輸到形成行星的區域，融化或釋放氣體，形成海洋、河流和湖泊。但太陽系形成之初，一些水可能經歷「冰凍─解凍」循環，這情況發生在太陽系盤面還只有氣體和塵埃時。水在強烈紫外線輻射環境被摧毀，然後重新形成。雖然無法於現在地球系統再現此過程，但天文學家可將望遠鏡對準其他原始行星盤，以研究水循環。

為了理解星際空間水循環，團隊用詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（James Webb Space Telescope）對準獵戶座星雲的原始行星盤，距離地球約1,350光年，名為「d203-506」，是行星系統養成地。中心恆星產生的強烈紫外輻射導致d203-506水破壞和重新形成，成為真正的星際水循環實驗室。當水被紫外光破壞，水分子分解為氫氧根離子，同時釋放紅外線。韋伯太空望遠鏡可檢測到氫氧根離子釋放的紅外線，計算氫氧根離子量。團隊估計，d203-506系統的水循環，每個月破壞並補充約地球所有海洋水量。

▲ 左中圖為韋伯太空望遠鏡觀測到的d203-506，右為動畫展示韋伯太空望遠鏡觀測揭示水形成和破壞過程。（Source：NASA / ESA / CSA / PDRs4All / Salomé / M. Zannese）

d203-506系統最初是沒有恆星的星雲，只有氣體和塵埃，如太陽系45億年前狀態。在寒冷環境，含水冰或水質豐富的物質，某些因素促使星雲某些區域凝聚成較高密度，並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，導致水分子破壞和補充。故d203-506為研究幼年太陽系水循環的好模型。推測地球的水可能也經歷類似過程，之後水流向小行星和冰體，幫助形成太陽系，外太陽系冰體可能沒有經歷相同極端加熱、破壞和補充，因距離太陽更遠，太陽輻射影響較小，這也是行星科學家對遙遠冰體採樣感興趣的原因之一，「原始」水冰是形成太陽和行星之前星雲條件的好樣本。