天文学家长期以来一直想知道地球是如何变得富含水的——拥有丰富的深海、寒冷的冰川和倾盆大雨从天空倾泻到湖泊、河流和湿地中。水是由宇宙中第一和第三大常见元素组成的，是一种看似简单的分子。然而，虽然水输送到像我们地球这样的岩石行星的细节对于理解宇宙生命普遍性可能至关重要，但它们仍然大多未知。
水是复杂有机分子组装的有效介质，并为我们所知的生命的出现和后续进化提供了避风港。在地球深处，它确保了岩石圈的润滑，防止气候稳定的板块构造停止运转——这可能是生命至关重要的另一种机制。当冰冻成冰时，它通过提供帮助年轻世界成长的粘合剂，在行星形成中发挥着关键作用。因此，科学家们渴望更好地理解水的行星迁徙——水将干涸的岩石转变为像地球一样湿润的世界所采取的路径。
为了获得更多见解，天文学家正在利用詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 来窥探原行星盘：年轻恒星周围的气体和尘埃漩涡，行星今天正在其中积极形成。虽然天文学家以前曾在这样的星盘中瞥见过水，但他们的视野一直很模糊。例如，水蒸气对于阿塔卡玛大型毫米/亚毫米波阵列 (ALMA) 是可见的——在许多方面是地球上最强大的射电天文台——但该设施在很大程度上无法探测到水冰。这阻止了 ALMA 对原行星盘外围区域的仔细观察。该阵列也无法深入探测类地天体形成的热内盘区域。另一方面，JWST 的设计考虑了此类研究，并且真正打开了闸门。新的太空天文台正在以前所未有的视野展示水如何从恒星形成的巨型分子云传递到原行星盘，最终到达行星——这对天体生物学具有重大意义，包括我们这个充满水的世界是否在某种程度上是特殊的还是普遍的。
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德克萨斯州立大学研究原行星盘的天文学家安德烈亚·班扎蒂说：“有了 JWST，就像突然间你戴上新眼镜一样，它们给你带来了更清晰的视野。”
水在宇宙中的奥德赛始于大爆炸发生数亿年后。那时，第一批恒星——它们疯狂地融合了氢储备以产生更重的元素——爆发成超新星，将氧气播撒到宇宙中。在这一点上，单个氧原子可以与两个氢原子结合形成一个水分子——这种分子在宇宙的创造和毁灭循环中，仍然可能被来自恒星和其他天体物理源的高能辐射重新分解。然而，迟早——毫无疑问在数十亿年后，在某些情况下——这样的水找到了通往分子云寒冷区域的道路，在那里，它的旅程将开始另一个混乱而暴力的篇章。分子云是巨大的、寒冷的尘埃和冻结气体团块，其中含有丰富的水冰，是恒星和行星的摇篮。当云的一部分达到某个临界密度时，引力会导致该密集的、大致呈球形的区域坍缩成扁平的、旋转的原行星盘，其中心有一颗新生的、发光的恒星。这个过程的大部分都被尘埃遮蔽，并且几乎不可能探测——直到 JWST。“正是 JWST 令人难以置信的灵敏度使我们能够捕捉到穿透过来的少量光子，从而在恒星和行星形成开始之前表征冰粒，”哈佛大学的天文学家卡琳·奥伯格说。
从那里，不断增长的恒星吞噬从包围它的星盘中倾泻下来的物质，产生更多的光和热——并可能分解星盘的水分子，从而烘烤掉原本会流入世界的水分。如果这个过程发生得太有效率，结果将是星系中到处都是干涸的行星系统，而且我们很可能不会在这里——这在很大程度上是为什么大多数科学家怀疑情况并非如此。不知何故，水必须毫发无损地从平静的分子云穿过炙热的恒星形成盘。
2021 年，国家射电天文台的天文学家约翰·托宾等人使用 ALMA 观测了 V883 Orionis——一颗被星盘环绕的原恒星，距离地球 1,305 光年，质量仅略大于我们的太阳，但亮度大约是太阳的 200 倍。原恒星的辐射加热了寒冷的外盘，将冰转化为水蒸气，水蒸气成为 ALMA 射电视觉的灯塔。这是一个幸运的突破。托宾的团队看到了高比例的半重水——其中较重的氢同位素氘取代了水分子中两个标准、较轻的氢原子之一。由于半重水只能在低温下形成——而不是与恒星形成直接相关的高温——它在 V883 Orionis 周围的起源一定可以追溯到分子云本身，这表明水在恒星形成过程中没有发生变化。事实上，托宾和他的同事观察到的半重水与普通水的比例与在其他分子云中观察到的比例完全匹配。它也与在我们太阳系彗星中发现的比例相匹配——暗示了水到达岩石世界的途径之一。
图片来源：马修·特温布利
天文学家目前认为，类地行星可以通过三种不同的方式获得水。可能是水从一开始就存在——包裹在尘埃颗粒中，而尘埃颗粒是行星本身的基石。或者，正在生长的行星可能会直接从原始星盘中的气体中吸取水蒸气——允许引力在其岩石核心周围建立潮湿的大气层。或者，也许一旦行星形成，它们就会吞噬通过行星系统遥远区域掉落的剩余冰冷碎片而输入的水。托宾的结果表明，后一种途径起着突出的作用，但输送水的彗星和陨石并非单独起作用。地球上的半重水与普通水的比例略低于彗星中发现的比例——这意味着虽然我们星球上的大部分水来自太阳系外围的冰冷腹地，但有些水一定暴露在靠近太阳的高温下。然而，这种暴露看起来是什么样的，仍然是一个悬而未决的问题。
为了找到答案，奥伯格想要绘制一张宇宙地图——精确定位年轻原行星盘周围的水的位置，以了解哪些地方可以随时为任何正在形成的行星提供水。ALMA 已经勾勒出一个模糊的图像，而 JWST 正开始以惊人的细节填补空白。去年 4 月，德国加兴马克斯·普朗克地外物理研究所的天文学家塞拉·格兰特和她的同事使用 JWST 观测到一个以前看起来干燥的星盘中的水——证明了太空天文台即使从经过充分研究的系统中也能榨取新鲜见解的卓越能力。“我们真的处于 JWST 的新时代，”格兰特说。“我们能够探测到以前无法探测到的东西，这真是太了不起了。”
然后，去年 8 月，德国海德堡马克斯·普朗克天文研究所的天文学家朱利亚·佩罗蒂等人探测到水蒸气在 PDS 70 中——这是迄今为止已知唯一拥有两颗巨行星的原行星盘。它们的存在可能意味着类地行星也在内盘中合并——就在天文学家现在发现水的位置。“这是我们第一次在拥有行星的星盘的中心区域探测到水蒸气，”佩罗蒂说。之前的观测显示根本没有水——这并不奇怪，因为水很难在如此靠近恒星的强烈辐射下生存。现在天文学家知道它可以，并且它可能只是附着在行星生长时的大气层上——而不是稍后通过星际访客到达干燥的行星。因此，宇宙中大多数类地世界可能天生富裕，从一开始就拥有大量的水。
奥伯格说，这本身可能是一个问题，可能会导致过于富含水的世界。科学家目前认为，海洋世界将难以创造生命，但一个布满池塘的大陆行星将更有可能成功。这是因为许多被认为对益生元化学和复杂化学系统兴起至关重要的反应在小而浓缩的池塘中比在广阔而稀释的海洋中进行得更有效率。此外，从大陆侵蚀下来的矿物质将为水中添加重要的营养物质。但是，为了了解宇宙构建像地球这样的类地星球的频率，奥伯格认为我们首先需要了解年轻的原行星盘——通过完成宇宙地图，该地图不仅显示了这些星盘周围的水的位置，还显示了水如何从一个位置流向下一个位置。
然而，水究竟是如何从星盘冰冷的外围区域向内流动，一直不清楚——尤其是在 PDS 70 中，外盘和内盘之间存在很大的间隙。然后在去年 11 月，班扎蒂、奥伯格等人观测到系统雪线内的水蒸气，雪线是温度变化将水从固态转化为液态或气态的过渡区域。这证实了一个物理过程，水通过该过程向内迁移。四十年前，天文学家推测，外盘中的水冰会随着更坚固的固体物质——尘埃颗粒和所谓的冰卵石（大小从几毫米到几米不等）向内漂移——直到在雪线处升华成巨大的水蒸气雾。这正是班扎蒂观察到的精确特征。“这正是行星形成基本理论，即‘卵石漂移’情景中所预期的，该情景应该为[类地行星]的形成提供物质，甚至输送水，”班扎蒂说。“从那个微小的信号中，我们可以构建一个美丽的故事。”它对 PDS 70 具有影响。佩罗蒂怀疑这种机制在系统星盘的外围区域和内盘区域之间形成间隙之前，将水向内输送。或者，即使现在，水也可能继续通过间隙迁移，尽管是以小得多的尚未被看到的微米级冰尘的形式。这种尘埃以及一些水分子可以充当保护罩，防止许多水分子分解。
因此，奥伯格的宇宙地图正变得越来越详细——在原行星盘的许多区域发现了巨大的储水库，这表明水很可能以多种方式流向岩石世界。但即便如此，天文学家也不知道哪种情景占上风。“在我们研究的这个阶段，我们无法排除其他可能性，”佩罗蒂说。例如，在 PDS 70 中，可能是这些类地行星失去了一些唾手可得的水——依靠小行星稍后补充它。未来的观测应该会阐明主要途径，这可能会根据行星系统的某些特征而改变。
例如，格兰特渴望了解水的动力学如何随着恒星质量而变化。到目前为止，大质量恒星似乎大多是干燥的，而较小、更像太阳的恒星似乎相对富含水，但格兰特想知道对于一些最小的恒星来说，情况如何。这些恒星被称为 M 矮星，它们很暗淡，这意味着围绕它们运行的行星必须处于近距离轨道才能足够温暖以维持生命——这一特性使行星猎手相对容易使用 JWST 和其他望远镜进行研究。它们的原行星盘长期以来似乎贫水——但新的数据现在表明情况并非如此。去年 12 月，班扎蒂、奥伯格和他们的同事发表了一项研究，详细介绍了围绕 M 矮星的第一例富水星盘。格兰特计划通过探索尽可能多的小恒星来进一步探究这个问题。与此同时，班扎蒂正在进行的对 30 个不同系统的雪线分析已经揭示，小型、紧凑的星盘向其内部区域输送的水是大型、扩展的、充满间隙的星盘所能管理的 10 倍。水的宇宙之旅终于开始变得清晰起来。
托宾说：“看到这些结果汇集在一起，真是令人兴奋。”“这是一个令人惊叹的发现时代——然而，我们真的只是触及了那里存在的冰山一角。”