45.6亿年前，当我们的太阳还是一颗年轻的恒星时，我们现在的太阳系只是一个由岩石尘埃和气体组成的圆盘。在数千万年的时间里，微小的尘埃鹅卵石聚集在一起，就像雪球越滚越大，变成了千米大小的“星子”——地球和其他内行星的基石。
长期以来，研究人员一直试图了解这些星子形成的古代环境。例如，现在地球上的水很丰富，但它一直都是吗?换句话说，吸积到地球上的星子含有水吗?
现在，一项新的研究将陨石数据与热力学模型结合起来，确定最早的太阳系内星子一定是在有水存在的情况下形成的，这对目前早期太阳系的天体物理模型提出了挑战。
这项研究是在Paul Asimow(93届硕士，97届博士)的实验室进行的，他是Eleanor和John R. McMillan地质学和地球化学教授，研究结果发表在1月9日的《自然天文学》杂志上。
研究人员以铁陨石的形式获得了太阳系早期的样本。这些陨石是我们太阳系中最早的星子的金属核心的残留物，这些星子避免了吸积成为形成中的行星，而是围绕太阳系运行，最终落在我们的星球上。这些陨石的化学成分可以揭示它们形成的环境信息，并回答一些问题，比如地球的组成部分是在远离太阳的地方形成的，那里的温度较低，可以存在水冰，还是在离太阳较近的地方形成的，那里的热量会蒸发掉所有的水，导致干燥的星子。如果后者是正确的，那么地球形成时是干燥的，并在后来的演化过程中通过其他方式获得水分。
虽然陨石本身不含任何水，但科学家可以通过研究它对其他化学元素的影响来推断它久违的存在。
水是由两个氢原子和一个氧原子组成的。在其他元素存在的情况下，水通常会在氧化过程中将氧原子转移出去。例如，金属铁(Fe)与水(H2O)反应生成氧化铁(FeO)。足够多的水可以进一步推动这一过程，产生Fe2O3和FeO(OH)，这是生锈的成分。例如，火星上覆盖着生锈的氧化铁，这为这颗红色星球曾经有水提供了强有力的证据。
达曼维尔·格里瓦尔(Damanveer Grewal)是加州理工学院的前博士后学者，也是这项新研究的第一作者，他专门研究利用铁陨石的化学特征来收集有关早期太阳系的信息。尽管来自最早的星子的氧化铁早已不复存在，但研究小组可以通过检查这些陨石中金属镍、钴和铁的含量来确定有多少铁被氧化了。这三种元素相对于其他原始物质的比例应该大致相等，所以如果有铁“丢失”，这就意味着铁已经被氧化了。
“铁陨石在某种程度上被行星形成界所忽视，但一旦你知道如何解读这些信号，它们就构成了太阳系早期历史的丰富信息库，”Asimow说。“我们在太阳系内部陨石中测量到的结果与我们预期的结果之间的差异表明，氧的活性要高出约1万倍。”
研究人员发现，那些被认为来自内太阳系的铁陨石与来自外太阳系的陨石的铁金属缺失量大致相同。为了证明这一点，来自这两组陨石的星子一定是在太阳系中有水存在的地方形成的，这意味着行星的组成部分从一开始就吸收了水。
这些星子中存在水的特征挑战了当前许多太阳系天体物理模型。如果星子是在地球当前的轨道位置形成的，那么只有当太阳系内部比目前模型预测的要冷得多的时候，水才会存在。或者，它们可能在更远的地方形成，那里温度更低，然后迁移到那里。
格里瓦尔说:“如果水存在于地球的早期构造中，那么碳和氮等其他重要元素也可能存在。”“生命的成分可能从一开始就存在于岩石行星的种子中。”
“然而，这种方法只能检测氧化铁过程中消耗的水，”Asimow补充道。“它对可能形成海洋的多余水不敏感。因此，这项研究的结论与地球吸积模型是一致的，该模型要求后期添加更多富含水的物质。”
这篇论文的题目是“水雪线以外最早的太阳系内星子的吸积”。除了Asimow和Grewal，合著者还有前加州理工学院博士后Nicole X. Nie，加州大学洛杉矶分校的张必东和莱斯大学的Andre Izidoro。格里瓦尔目前是亚利桑那州立大学的助理教授。资金由巴尔基金会博士后奖学金和美国宇航局提供。