宇宙化学是行星科学中一个快速发展的领域。本书是这一经典教科书的第二版，全面反映了过去十年来自新航天器任务的重大发现。全书共15章，系统阐述了宇宙化学的核心内容：从恒星中的元素合成，到早期太阳星云和行星体中元素与同位素的行为，再到地外物质的组成。本书采用跨学科的研究视角，展示了化学、核物理、天体物理学和行星地质学如何相互结合，共同解释太阳系的化学成分，既适合行星科学、天文学、地球化学等相关专业高年级本科生和研究生课程使用，也是科研人员的宝贵参考书。

小哈里·Y. 麦克斯温，美国科学院院士，从事陨石学和火星研究。加里·R. 赫斯，国际陨石学学会主席。译者李春辉，毕业于德国柏林自由大学，成都理工大学副研究员，从事早期地球与同位素地球化学研究。蒋云，中科院紫金山天文台副研究员，从事太阳系物质起源和类地行星岩浆演化研究。

第一章 引言

第二章 核素与元素：宇宙的基本组成单元

第三章 元素的起源

第四章 太阳系与宇宙丰度：元素与同位素

第五章 前太阳颗粒：记录恒星核合成与星际空间过程

第六章 陨石、行星际尘埃和月球样品

第七章 宇宙化学和地球化学过程中的元素分异

第八章 宇宙化学和地球化学过程中的稳定同位素分馏

第九章 放射性同位素计时器

第十章 从放射性同位素看太阳系历史

第十一章 挥发性最强的元素及组分：冰、稀有气体及有机物

第十二章 星子：剩余的行星建造物质

第十三章 星子及其样品的化学性质

第十四章 地球化学勘察：以月球和火星为例

第十五章 太阳系形成和演化的宇宙化学模型

附录 宇宙化学领域常用分析技术

词汇表

几十年来，行星地质学领域一直有着中国学者的身影，但是直到近几年，关注宇宙化学的中国学者都不太多。当译者向剑桥大学出版社申请出版Cosmochemistry的中文版本时，我们认为这是推动中国年轻一代学生将宇宙化学发扬光大的好机会。

正如本书所示，对地外物质的研究就是宇宙化学本身。中国对宇宙化学日益显著的贡献来自中国探月工程返回的样品。对月球正面（嫦娥五号）和背面（嫦娥六号）玄武岩的放射性同位素年龄的研究显示，月球岩浆作用的持续时间比之前猜想的要长得多，由于对这些样品中放射性生热元素的认识不够深入，我们对月球深部如何产生岩浆这样的基本问题仍争议不断。中国深空探测的另一目标是从火星返回样品，而天问轨道探测器/ 着陆器/ 火星车朝着这一目标迈出了第一步。中国学者还在建设十分先进的实验室用于分析陨石、行星际尘埃颗粒和返回样品。这些研究工作将为我们澄清并检验宇宙起源和演化的有关假说提供新数据。

宇宙化学这门学科因其跨学科的属性及得益于众多国际同行的参与，进展十分迅速。我们期盼这篇序言和这本《宇宙化学》能够将越来越多的中国年轻学生和学者的兴趣和精力导向探索宇宙的化学特征及其成因这一领域。

Harry Y. McSween Jr.

Gary R. Huss

2026 年1 月

化学×核物理×天体物理×地质学，多维视角解读宇宙化学成分。

星尘造物，化学溯源。

以化学之眼，观星辰生灭；以原子之微，探宇宙之宏。

1.1 什么是宇宙化学

宇宙的相当一部分是由元素、离子及其化合物组成的；从最广义的尺度来看，这些都属于化学的范畴。宇宙中的化学物质通常以气体或者等离子体的形式存在，固体次之，流体形式就更少。

宇宙化学是一门研究宇宙及其组成部分的化学特征，并解释这些特征的形成机制的学科。这无疑是项艰巨的任务。可想而知，在当前情况下，宇宙化学的主要研究目标是太阳系的各类天体，因为我们只能获得太阳系物质的化学组成信息。具体而言，太阳系的物质主要包括太阳、行星及其卫星、数目繁多的小行星和彗星，以及一些体量更小的样本（陨石、行星际尘埃和月球返回样品）。通过实验室分析测定或者各种遥感手段，宇宙化学家就可以获得上述物质的化学组成。

1.4.1 实验室与探测器上的工具

对于任何物体，其最基本的信息都可以通过我们的直观感受来获取。它长什么样？重不重？是坚固的还是一碰就碎的？岩相学显微镜（petrographic microscope）就是获得这些最基本数据的工具。岩相学显微镜的研究对象是从岩石或陨石中切出来的薄片，这些薄片薄得可以透光。岩石学家们可以从薄片中矿物与偏振光（polarized light）的相互作用特征来鉴定矿物种类。前面我们已经提到，陨石分类就是基于矿物学和矿物之间的结构信息建立起来的。此外，有关月球地质演化历史和火星地质演化历史的研究都是从月球样品和火星陨石的岩相学研究中逐步建立起来的。

7.1 什么是元素分异？它为何重要？

太阳系是从一团尘埃和气体中诞生的，而这团气体又是更大体量的分子云的一部分。我们把孕育出太阳系的这一团尘埃和气体的混合物叫作太阳星云。太阳星云的化学组成就是在第四章中讲到的太阳系元素丰度。正是从这团太阳星云中孕育出了后来的行星、卫星、小行星以及彗星等，而且这些天体的组成各具特色，并不相同。在太阳星云形成之前，太阳星云演化和天体增生的过程中，元素和元素之间发生了分离，更准确的词汇是分异。通过研究元素的分异行为，我们可以识别出到底是哪些行为造成了元素的分异，这些行为发生的物理和化学条件又是什么。由于现在不能直接观测早期太阳系的过程，这种反向推演的办法就极为重要。

10.3 行星和月球的吸积、分异及火山活动历史

宇宙化学领域很重要的一个方面是利用放射性同位素开展年代学研究。目前，大部分行星的年代测定工作依赖于撞击坑统计法，只有地球、月球和火星这三个天体有实际样本，可以在实验室进行放射性同位素分析。这三个天体的样本研究可以为我们研究其他类地行星提供比较行星学思路。