天体化学（astrochemistry），研究宇宙空间各层次天体的化学组成与化学演化的学科。又称宇宙化学、空间化学或太空化学。它既研究宇宙空间特别是太阳系空间的物质（太阳风、宇宙线、元素与同位素、各层次天体等），也通过研究地球及陨落到地球上的球外物质（陨石与宇宙尘等），探讨宇宙空间的元素及其同位素的起源、分布与演化过程，研究各类天体的化学组成与演化，探索地日系统及其各子系统之间的相互作用和影响。天体化学是空间科学的重要组成部分，并与空间物理学、天文学和地球化学等学科相互渗透，交错发展。

研究简史

古代人类凭直觉猜测、想象宇宙万物的基本组成。中国西周晚期（公元前8世纪）的哲学家认为，五行（金、木、水、火、土）即是包括宇宙在内的万物的组成。古希腊哲学家亚里士多德认为水、空气、火和土是构成宇宙万物的四种基本元素，其中火最轻，气和水次之，土最重，所以地球占据了宇宙的中心。

19世纪初通过太阳光谱、陨石矿物与化学成分的研究，20世纪上半叶有了地球上矿物与岩石样品化学成分的积累，为空间科学的诞生奠定了基础，开拓了对恒星与太阳系各天体化学组成的测定、研究，天体化学也应运而生。

关于天体的组成，最早是通过陨石成分的分析得知的。1833年瑞典化学家J.J.贝采利乌斯首先分析了陨石的化学成分。1917年W.D.哈金斯综合了318个铁陨石和125个石陨石的化学成分，发现7种质量数为偶数的元素丰度占98.6％；因而提出了元素丰度的偶数律（偶元素的丰度比相邻两个元素的丰度值高）。1930年诺达克夫妇根据大量陨石的化学成分数据，确定了元素宇宙丰度。1937年V.M.戈尔德施密特，1956年H.E.修斯和H.C.尤里相继提出了元素与核素的宇宙丰度。

20世纪50年代以来，人造地球卫星和一系列空间探测器的发射，为天体化学的发展创造了条件。这个时期开展了大量基础性工作：精细测定了地球高层大气、磁场、辐射带；探测了行星大气层的结构和成分、行星表面的化学成分与物理环境，以及行星的内部结构；编制了一些行星的地形图、地貌图、构造图和地质图；测量了银河宇宙线和太阳风粒子的通量、能谱和成分；观测和研究了太阳系中各类小天体。随着大气外观测的发展，频谱分析波段由可见光扩展到射电波、红外线、紫外线、X射线、γ射线，星际空间发现了星际分子。

自1969年“阿波罗”11号登月以来，相继实现了6次载人和3次不载人登月取样，使人类从整体上对月球的化学成分、岩浆活动、内部结构、演化历史和地月系的起源有了许多新的认识，丰富了天体化学的研究。

对全世界收集到的2 500多次陨石和南极洲上万块陨石的多学科综合研究，使人们有可能对元素丰度、元素起源与太阳系起源与演化，宇宙线的时空变化和生命物质前期化学演化，对来自月球和火星陨石的分析，以及地外物质冲击地球引起生物灭绝灾变事件提供了新的科学论据。这些丰硕成果，推动了天体化学的蓬勃发展。

研究内容

天体化学研究的基本内容是元素与核素的空间分布及其随时间的演化历程，主要有以下几个领域。

元素丰度和起源

探讨元素与核素的空间分布，首先必须阐明元素与核素在各类天体中的丰度，即化学元素在太阳、地球、月球、太阳系的其他天体、恒星和宇宙线中的分布。元素的宇宙丰度通常是指元素的太阳系丰度。为了解释元素宇宙丰度的格局和精细的丰度特征，建立了一系列的元素起源理论，以阐明各类元素的形成条件、形成过程和起源场所。流行的元素起源理论认为，宇宙核素合成氢、氦，恒星的静态和爆炸核合成了一系列元素，而宇宙线与星际物质的核反应形成少量轻元素。恒星的演化阶段反映了元素的形成和演化过程。

宇宙年代学

探讨元素与核素随时间演化历程，必须测定宇宙演化重大事件的年龄，建立天体事件的时间序列。宇宙年代学的研究提供了元素与核素演化历史的时间标尺，如宇宙年龄、银河系年龄、元素年龄、太阳系年龄（包括形成间隔年龄、凝聚年龄、固结年龄）、行星和卫星各演化阶段和重大事件的年龄、陨石母体的气体保留年龄、裂变径迹保留年龄，以及宇宙线暴露年龄和落地年龄等。

太阳系化学

主要研究太阳系的化学组成、探讨元素与核素在太阳系各天体中的丰度及其演化历程。其最主要的研究领域有以下几个方面。

①太阳系的物质来源。20世纪70年代以前传统观念认为太阳系的物质仅来自太阳星云。而后来对陨石同位素组成异常的研究证明，太阳星云凝聚时，有邻近超新星爆发产生的外来物质加入，使太阳星云的同位素组成发生变异。

②太阳星云中化学元素的分馏和凝聚过程。陨石、月岩的矿物组成和微量元素的研究，提供了太阳星云中元素产生凝聚并形成各种矿物相的先后顺序、矿物共生组合及温度、压力变迁的历史，帮助了解太阳星云凝聚的物理化学过程。太阳星云凝聚和吸积的结果形成了太阳系中不同化学组成、结构和质量的各类天体。

③行星化学。研究太阳系各行星的化学组成与化学演化。太阳系各行星处于不同的演化阶段，它们的大气层组成、表面特征、物理场、地质过程、内部结构和化学组成均有较大的差异。行星化学研究在以下几方面取得了丰硕的成果和飞速的发展：太阳星云盘内元素的分布与各行星形成区的化学成分，行星起源与形成方式，行星大气层的化学成分与演化过程，以及行星内部化学元素的分异、调整及各圈层的形成过程。行星化学的另一重要方面是研究行星演化能源与热历史，即行星内部能源的产生方式、传导与释放过程。行星的能源制约着行星内部结构的演化，各种地质营力的作用以及行星的热演化历史。

④太阳系小天体化学。太阳系中的彗星、小行星、陨石和宇宙尘由于个体小、母体的热变质效应低，因而保留有太阳星云初始化学组成的特征，它们是太阳星云初始成分的代表性样品，也称为太阳系的“考古标本”。彗星化学侧重研究彗核、彗发、彗尾的化学成分、化学反应过程及其起源。小行星化学主要探测其化学类型与陨石成因。对陨石的研究集中于以下几个方面：系统研究其矿物、化学成分以推演太阳星云的凝聚过程；测定同位素组成，以探讨太阳系的物质来源和演化年龄；探索新元素和已“灭绝”的元素；测定宇宙成因核素和陨石矿物中的宇宙线径迹，以探讨宇宙线和陨石物质的高能核反应过程及宇宙线在时间、空间上的稳定性；研究稀有气体同位素以阐明陨石母体的热历史和宇宙线照射史。从空间探测器、高空气球、深海沉积物和古老地层中的星际尘埃和行星际尘埃（即宇宙尘），研究其粒径大小、形态特征、通量谱、化学和矿物组成，证明宇宙尘有一部分属于星际尘埃物质或原始太阳星云的残留物，但绝大部分来自小行星、彗星、陨石瓦解的产物（如陨石穿过大气层时熔融散落物）。太阳系小天体的化学研究对探讨太阳系的化学演化具有特殊重要的意义。

⑤空间有机质。截至1979年底已证认出50多种星际分子，星际分子的发现，为探索空间有机质的来源与存在状态，开辟了新的途径。碳质球粒陨石中已发现有多种氨基酸、烷烃、烯烃、芳烃、嘌呤和嘧啶等有机化合物。人工模拟有机质的合成实验，提供了有机质在太阳星云中的形成方式和存在状态的依据。空间有机质的研究，为探索这些最原始的有机化合物发展为具有新陈代谢能力的生命物质的化学演化过程开拓了新的途径。多数研究者认为，陨石中有机质是太阳星云中的催化过程或放电过程所致，并非生物合成；也有人认为是地球以外生命物质的遗迹。

宇宙线化学

研究宇宙线中元素与核素的丰度及其随时间的变化。宇宙线与天体物质相互作用及其效应甚为人们所关注。宇宙线与行星大气、行星表面物质和陨石中的各种元素相互作用，形成近百种稳定的和放射性的宇宙成因核素。对这些核素的产率和深度分布研究表明，几千万年以来，银河系宇宙线的组成、通量和能谱基本上是稳定的；太阳活动的周期性对银河宇宙线有调制作用。陨石的宇宙线暴露年龄的频谱分析证明，行星际空间各小天体之间不断发生着碰撞、瓦解和冲击变质作用。宇宙成因核素的研究还有助于计算陨石在空间的运行轨道，并可推算陨石母体的原始形状和大小。矿物中保存的宇宙线重核径迹的研究，可推算宇宙线中重核的成分和能谱，论证陨石通过大气层时的飞行姿态和烧蚀量。

天体撞击引起的地球灾变

用天体撞击地表引起灾变的理论，能较满意地解释生物演化过程中发生的大规模灭绝的事实。大型陨石、小行星或彗星撞击地球，可能产生全球性灾变事件，引起地表环境突变、海水漫溢、冰期和生物大灭绝；也可能引发区域性灾变事件，如已确证的近百个陨石撞击坑、全球的4次玻璃陨石事件、1906年西伯利亚通古斯事件和冲击成矿的萨德伯里（加拿大）事件等。发生在白垩纪末—古近纪初（6 500万年前）的生物大灭绝事件中，有50％的生物属或75％的生物种从地球上突然消失，恐龙、菊石、箭石等已都绝迹。世界各地的白垩系—古近系界面上均发现有Ir、Pt、Os、Au、Ge、Ni、Co等元素富集的异常。由于这些元素主要来自地外物质，因而推测是由一个直径为10千米的小行星或彗星冲击地球造成的后果。陨石坑的研究证明，大约每一亿年有一个直径为20～30千米的小行星撞击地球，表明地外物质的撞击会使地球产生一系列的灾变事件。

问题和展望

空间科学技术的发展，尤其是对太阳系各天体的探测，新的事实不断发现，新的资料爆炸性地增长，许多旧的概念和理论在大量事实面前遇到了严峻的挑战，新的理论有待于提出和完善。天体化学所涉及的时间尺度为10−44～1017秒，空间尺度为10−28～1029厘米，质量为10−23～1045克，温度由近于绝对零度到1032K，涉及各种物理、化学、生物和核过程。已经提出了各种假说，但还有不少领域尚有待探索。

随着空间科学技术的进一步发展，人类除对自然降落在地球的地外物质（如陨石、宇宙尘等）作精细研究外，将更多地对太阳系各天体的样品进行“就地”分析或带回地面作精细研究，将使天体化学得到更快速的发展和提高。