水分子在宇宙中是怎么形成的？它是怎么生成的里面都有什么？是什么样的结构？

本人对水产生了兴趣 所以也希望有关注“水”的人能跟我一起研究和讨论，同时也希望大神能回答出我的这个问题终于又见到一个 astrochemistry 的相关问题了。Again，和地球上的水会不会蒸发到太空？ - Luyao Zou 的回答开头说的一样，这其实是一个很复杂的问题，并不琐屑无聊。另外，水的确是人类接触最久也研究最久的物质之一，但水也是最最奇怪最最复杂的东西之一。那些说水已经搞清楚了很无聊的，麻烦自己搜一下每年关于水的论文有多少。某些戾气很重的网友啊，别动不动就觉得别人傻逼。

我不清楚题主所在的学习阶段。首先澄清一点，谈论单个水分子的话，题主的后两个问题就没什么需要讨论的了（但我也不修改问题了免得又被举报说恶意编辑）。水分子的结构是确定的，一个氧原子两个氢原子，成 V 型：

如果非要说分子结构，的确，从分子轨道对称性来说，有两种水分子，分别是 ortho- 和 para-，常温下比例为 3：1。这涉及到水中处于对称位置的两个氢原子的核自旋波函数的对称性。留在最后再讲。

好，我们回过来慢慢扯水是怎么来的。
首先，我们得有组成水的元素，氢和氧。
氢是宇宙诞生之初，很快就由质子捕获电子产生了。所以宇宙中含量最大的就是氢。而比氢更重的元素，都要在恒星内部通过核聚变反应形成。形成氧元素的途径大概是，先通过质子—质子链反应聚变出氦，然后氦核经过多步聚变形成氧：

两个氢聚变成氘，同时放出一个正电子和一个中微子，
一个氢和一个氘变成氦-3，放出高能光子（gamma射线）：
两个氦-3变成一个氦-4、两个氢和光：
有了氦-4，它可以一直聚变到氧，中间经过铍和碳：



【示意图来自维基百科，wikipedia.org 的页面 质子-质子链反应
wikipedia.org 的页面 氦-3过程】
这些比氢重的元素在恒星死亡时被抛洒到星际空间中，成为星际化学反应的原材料。

关于恒星核聚变反应，推荐一个很好玩的小游戏，是以前风靡一时的 2048 的变种，从氢开始一直聚变到铁（Fe），如果没有一些核聚变反应链的知识，很容易在氧那边卡住。
http://dimit.me/Fe26/


有了原材料，我们再来看怎么从原子变成分子。
在星际空间中，根据化学反应发生的场所，通常有两种反应：气相反应（gas phase reaction）和尘埃表面反应（gas-grain reaction）。背景知识可以参考我的另一篇回答：我们平常所学的化学知识在宇宙中是不是没多大用处？ - Luyao Zou 的回答

星际空间中的气体实在是太稀薄了。即使在比较稠密的分子云中，每立方厘米也通常只有 100 到 1百万个分子左右，稀疏的扩散云中则 10/cm^3 都不到。给不熟悉的读者一个比较，咱们大气压下面，一个立方厘米里面有  个分子。两个分子要发生反应，首先要遇到，碰撞。因为星际空间实在太寂寞了，这些分子遇到一个同伴，可能要上千年的时间，而遇上不需要活化能就能直接反应的同伴，则概率更低。（单身的同学也别太伤心了，你看看人家一单身要单身几千年呢嘤嘤嘤）。除非——有一些特殊的反应，比如涉及正离子的反应，离子的电场可以加速吸引其他分子，大抵相当于网红和大V吧。

因为纯粹气相反应实在太没有效率，根本无法解释我们观测到的星际空间中的大量水，尤其是那些冰。因此，大家都认为大部分水是直接在分子云中的星际尘埃表面形成的。这些星际尘埃通常由二氧化硅或者碳颗粒组成，直径为 1 微米左右，表面可能覆盖有寒冷的固态一氧化碳、水、甲烷、氨或者甲醇。这些尘埃，就像婚恋网站一样，为分子们相遇搭了一个平台。在星际尘埃上，分子不需要再苦苦追寻千年的伴侣了，只要在小小的尘埃表面迁移，就能见到同伴。同时，气相中还是有大量原子态和分子态的氢，这个不是问题。因此氢就可以和在尘埃表面上富集的其他分子，尤其是中性分子和自由基更有效地发生反应。

A. Tielens 和 W. Hagen 在 1982 年就提出了一个在星际尘埃上形成水的机制：

其中实线箭头是不需要活化能，碰到就能发生的反应（barrier-less），虚线箭头标注的反应需要活化能，大概是 1000 K 左右。

A. Tielens, W. Hagen, Astronomy & Astrophysics, 114, 245-260, (1982)

题外话，Tielens 是业界的领军人物之一，荷兰的 Leiden 天文台的教授，荷兰皇家艺术和科学院院士，NASA 的赫歇耳空间望远镜的 Project Scientist，很和蔼的老爷爷。

人们在这个反应网络的基础上不断丰富添加新的反应。星际空间中不同区域的环境不一样。在很稠密阴冷的暗分子云中，99%以上的氢元素都以氢分子形式存在，而原子氢的含量差不多是恒定的。但是，大家发现尘埃表面原子氧的含量却随着分子云密度的增加而增加。不同的暗分子云中，H/O的比例在变。因此，到底是涉及氢分子的 H2 和 OH 的反应（上图的细点箭头）能成为主要途径，还是原子 H 和原子 O 的反应能成为主要途径？更复杂的问题在于，每一个反应通道，到底速率有多块呢？要知道，这些不同的通道构成了一个巨大的反应网络，每一步的变化都可能导致全局演化方向的改变。

这就需要我在我们平常所学的化学知识在宇宙中是不是没多大用处？ - Luyao Zou 的回答里面提到了，去建立巨大的反应网络模型去模拟这些星际分子云中的环境，去看到底哪些反应起到关键作用，模拟出来的结果能和天文观测相吻合。
值得注意的是，这正是现在 astrochemistry 领域很活跃的研究方向之一。由于我们知道的信息实在太少了，每年都有很多新的实验和模拟结果出来，经常性地会刷新人们的认识。因此我在这里并不能给出一个明确、准确的答案说水在星际空间中，不同的环境下，究竟是通过哪些反应形成的。因为我们还在寻找这个答案。我只能笼统地说，星际尘埃上的化学反应网络是形成星际空间中固态水的主要方式，其中氧原子和氢的一系列反应肯定起到关键作用。而当这些冰被新生的恒星加热时，就会蒸发到气态去。而这些携带着大量冰的尘埃，在形成行星盘（planetary disk）的时候不断聚集成为彗星、小行星，砸到地球上，就给我们地球带来了海洋。

最后，说说 ortho- 和 para- 水。【涉及比较专业的知识】
氢原子核就是质子，质子是自旋 1/2 的费米子。水中有两个质子，处在几何对称的位置。于是，它们的核自旋波函数线性组合，就会出现两种对称性：
ortho-态，三重态（triplet），自旋波函数交换全对称，交换氢核后符号不变。
para-态，单重态（singlet），自旋波函数交换反对称，交换氢核后符号改变。
用狄拉克括号写出来，记每个氢核的核自旋波函数为，i 标记氢核（可取1和2）
ortho-态可以有三种形式：
两个自旋都向“上”
两个自旋都向“下”
  一个向“上”一个向“下”，但全对称
这三个波函数都是交换全对称的。你把下标 1 和 2 换一下（交换两个氢核的位置），波函数不变符号的，即
para-态只有一种形式：

这个波函数，你把下标 1 和 2 换一下，整个波函数的符号变了，即
很多关于 ortho- 和 para- 的示意图经常会画成这样：

（图片来自http://www1.lsbu.ac.uk/water/ortho_para_water.html）
这个画法有的时候有点误导，让人误以为 ortho- 和 para- 都是双重态。

ortho- para- 问题不仅仅在水里面有，在任何存在两个对称的氢原子核的地方都会出现，比如氢分子和乙炔都有这问题。
ortho 和 para 水的光谱性质是不一样的。为什么呢？因为泡利原理。泡利原理要求多电子体系的自旋轨道波函数一定要交换反对称。核自旋波函数的对称性，决定了 ortho- 水（B1和B2）和 para- 水（A1和A2）的核运动波函数具有不同的对称性。导致的结果是，ortho- 水和 para- 水的转动光谱是完全分开的，你可以把它当成两种物质。靠光谱跃迁，ortho- 水永远是 ortho- 水，para- 水永远是 para- 水，永远不会交叉。
水的转动能级。图片来源

K. Menten et al., Astronomy & Astrophysics, 477, 185-192 (2008)

另外，由于 para- 态总核自旋为 0，它就没有核自旋磁矩，就不会和磁场相互作用。与之相对的，ortho- 态会感受到磁场。而在星际空间中很多地方磁场是很强的。

核自旋态（ortho- 和 para- ）有个很重要的性质，就是光谱跃迁和碰撞不可能改变核自旋态，这是从量子力学层面上禁止的。但是，尘埃表面的吸脱附反应可以改变核自旋态。于是，我们就可以利用 ortho/para 态的相对比例（OPR），来追踪这个水到底是从哪里来的。
para- 水在低温下更稳定。因为 para- 水可以存在于转动的 0 能级（不转），而 ortho- 水永远在转。常温下，按照上面讲到的三重太和单重态的关系，OPR 应该等于 3。在天文观测中，发现星际空间中的气态水，OPR 远小于 3。所以通常认为，如果在冷分子云的表面上形成的水冰，OPR就应该会比较低。而当这些水升华到气相中的时候，这个低 OPR 就被保留了下来。这也是一个间接的说明星际空间中的水形成于尘埃表面的证据。

不过呢，就今年元旦，几个日本科学家搞了个大新闻。他们说，他们测量在 10K 环境下制备的水冰升华后的 OPR，发现竟然是 3！

Tetsuya Hama, Akira Kouchi, and Naoki Watanabe, Science, 351, 65 (2016)

http://science.sciencemag.org/content/351/6268/65
他们给出的解释是，para- 水低温下的稳定性只适用于气相、自由转动的水分子。在固态下，水分子的转动受到阻碍，因此 ortho- 和 para- 的能级差别开始缩小。此外，相邻水分子中的质子核产生的质子—质子磁偶极矩可以引发快速核自旋翻转。
也就是说，至少在某些情况下，尘埃表面的冰形成时可能 OPR 就有 3。如果是这样的话，那怎么解释气相中观察到的额外的 para-水呢？

反正啊，你问我，我也不知道。
我猜啊，谁现在博士论文正在写这个的，估计要撞墙了。编辑于 2016-01-27@Luyao Zou 同学回答的很赞～
我来补充一点，其实在一些恒星形成活动很剧烈，也就是分子气体丰富（密度大约每立方厘米10000－1000000个）的区域，因为宇宙射线亦或是星系中心大质量黑洞产生的吸积盘上辐射出来的强X射线都会促进氢气分子的电离逐渐生成水的反应（当然同时也会破坏水分子，取决于具体的强度还有分布等等），也就是所谓的ion-neutral（氧原子和电离的氢原子）反应链（请参考下图最左边绿色区域，来自 Ewine F. van Dishoeck 等人 2013，Chemical Reviews： Interstellar Water Chemistry: From Laboratory to Observations），此外，在一些大质量恒星聚集区，因为剧烈的星风等能量注入过程，这些强烈的激波也会促使水分子通过neutral-neutral（氧原子和氢原子/分子）气相反应生成（一般需要T>300K，也就是图中红色的反应链）。
（图左边的绿色和红色的部分就是水分子通过气相反应生成的途径，右侧则 @Luyao Zou 提到的尘埃表面化学。）

我个人是观测星系中的水分子的，下面两篇是以前做过的观测结果，还有一篇最新的高红移观测结果在under review:
Water Vapor in nearby Infrared Galaxies as Probed by Herschel
H2O emission in high-z ultra-luminous infrared galaxies

就目前的观测来说，水分子气体可以通过这三种途径有效的形成，特别是气相。而从理论上: Bialy在2015年发表在ApJ Letter上的工作说明了，即便在宇宙早期，金属丰度较低的环境下水分子也可以有效的产生：Water Formation During the Epoch of First Metal Enrichment。值得一提的是，在宇宙早期，因为金属丰度比较低，因此尘埃并不是很丰富，这个时候，形成水分子的主导反应基本就是neutral-neutral反应。

下图是我自己根据NASA的图制作的一个示意图，标注出我们目前为止探测到的最远的水分子气体发射线，以及上述的理论预言的，水分子产生的极早期。



同时，也欢迎关注 四月份在欧空局科技研究中心举办的一场关于宇宙中的水分子的会议，链接给出了此会议中的报告题目列表：Preliminary Programme。编辑于 2016-02-01关于水的知识，可以参考这个网站
http://www1.lsbu.ac.uk/water
Liquid water is not a bit player in the theatre of life -- it's the headline act.发布于 2016-01-27西方科学是建立在实验和推理的基础上，一切问题都是源自于没有回答宇宙结构是什么。如果我们不知道宇宙结构是什么，是不太可能知道水分子所有的组成部分。发布于 2016-10-18