Раскрыто происхождение воды на Земле

Мы не знаем наверняка какой правильный ответпоскольку каждая из теорий имеет доказательства в свою пользу. Но новое открытие может помочь дать долгожданный ответ. Международная группа исследователей, по сути, переформулировала вопрос, пойдя немного дальше: образовалась ли вода в то же время, что и Солнце и Земля, или она даже старше этого времени?

Статья, недавно опубликованная в журнале «Природа Астрономия‘, прямо указывает на вторую возможность. Часть воды, которая наполняет океаны, которую мы пьем и которая течет по нашим венам, является настоящей временной реликвией, которая, вероятно, существовала еще до того, как наша звезда начала формироваться.

Портрет нашей Солнечной системы

Открытие, ставшее возможным благодаря использованию сети радиотелескопов ALMA (Большая миллиметровая/субмиллиметровая решетка Атакамы) в Чили, фокусируется на молодой звездной системе под названием V883 Ориона, «протозвезде», все еще погруженной в свой натальный «кокон» и расположенной примерно в 1305 световых годах от Земли, в созвездии Ориона.

Вокруг него материал, оставшийся с момента его рождения, кружится в огромном протопланетном диске: своего рода гигантском космическом кольце из газа и пыли, которое со временем и под действием гравитации в конечном итоге конденсируется, придавая форму кометам, астероидам и, наконец, планетам всех видов. По сути, V883 Orionis — это живой портрет того, какой была наша Солнечная система около 4,6 миллиардов лет назад.

В этом планетообразующем диске исследовательская группа впервые обнаружила не просто воду (H2O), а ее самый редкий и наиболее важный вариант: «тяжелую воду», известную по химической номенклатуре как D2O (дважды дейтерированный) или DOH (частично дейтерированный).

Как всем известно, «нормальная» вода состоит из двух атомов водорода (H) и одного атома кислорода (O). Ядро атома водорода — самое простое во Вселенной, поскольку имеет всего один протон. Однако существует изотоп водорода, дейтерий (D), который помимо протона несет в себе дополнительный нейтрон, что делает его «более тяжелой» версией водорода. А когда дейтерий соединяется с кислородом, получается тяжелая вода. Хотя эта форма воды обычно ассоциируется с атомными электростанциями, эта форма воды существует и в природе; Фактически, небольшое его количество присутствует в воде, которую вы пьете каждый день. Именно тяжелую воду исследователи только что впервые обнаружили в протопланетном диске V883 Ориона.

Необыкновенный антиквариат

Но что действительно важно, что позволило определить необычайный возраст этой тяжелой воды, так это существующая в ней пропорция между дейтерием и водородом (D/H), который действует как настоящая «машина времени». Давайте подумаем о соотношении D/H как о кулинарном рецепте. Тяжелая вода легче всего образуется в самых холодных и плотных условиях космоса: в холодных межзвездных молекулярных облаках, еще до рождения звезд.

Чрезвычайно холодная среда этих «звездных колыбелей» делает химические реакции с участием дейтерия более вероятными, чем реакции с обычным водородом. И как только материал разрушается, образуя протозвезду (и ее диск), температура резко возрастает, что теоретически должно уничтожить большую часть старой воды и заменить ее «пресной водой», образовавшейся в этих гораздо более теплых условиях и которая, следовательно, будет иметь совсем другое соотношение D/H. Что ж, астрономы обнаружили, что соотношение D/H водяного пара в V883 Orionis соответствует воде, образовавшейся в нетронутом льду древних звездных облаков. То есть вода образовалась раньше самой звезды.

«Наше обнаружение, — говорит Марго Лемкер, ведущий автор исследования, — бесспорно демонстрирует, что вода, видимая в этом планетообразующем диске, должна быть старше, чем центральная звезда, и образоваться на самых ранних стадиях формирования звезд и планет. «Это представляет собой большой прогресс в понимании пути воды через формирование планет и того, как эта вода достигла нашей Солнечной системы и, возможно, Земли посредством подобных процессов».

Для Джона Тобина, соавтора исследования, нет никаких сомнений в том, что это открытие является «недостающим звеном», которое связывает воду в звездных облаках с кометами и, в конечном счете, с нашей собственной Солнечной системой. Таким образом, вода способна пережить, по большей части неизмененной и неповрежденной, бурный процесс звездообразования. Во всех смыслах это «наследие», передающееся из поколения в поколение планетных систем.

Кометы или астероиды?

Ученые десятилетиями обсуждали гипотезу о том, что здесь, на Земле, большая часть, если не вся, вода испарилась на ранних стадиях формирования планеты, когда она была не чем иным, как шаром расплавленной породы. Из этого следует, что вода, которую мы видим сегодня, должна была прийти «откуда-то еще» и быть доставленной на Землю позже, когда она уже достаточно охладилась другими столкнувшимися с ней небесными телами: кометами и астероидами. Но кто из двоих нес главную ответственность?

И снова соотношение дейтерия и водорода, измеренное Леемкером и его командой, дало ответ. Океаны Земли имеют очень точную и постоянную изотопную подпись. И чтобы космический объект считался основным «поставщиком» нашего жидкого элемента, доля дейтерия в нем должна быть практически идентична земной.

В 2014 году европейская миссия Rosetta уже вылил кувшин с холодной водой защитникам кометной теории, проанализировав водяной пар кометы 67/П Чурюмова-Герасименко и обнаружив, что он содержит в три раза больше дейтерия, чем вода на Земле, то есть что он слишком «тяжел». Возвращаясь к примеру с «рецептом», рецепт 67/P был слишком «старым» для того, чтобы подобные кометы могли быть основными поставщиками воды на Землю. Что-то, что смутило ученых, поскольку предыдущие исследования, например, проведенные с помощью космического телескопа Гершель, обнаружили, что другая комета, 103P/Hartley 2, действительно имела соотношение D/H, почти идентичное земному, что еще больше усложняло загадку.

Во всяком случае, открытия Розетты склонили чашу весов в пользу астероидов. Анализ метеоритов фактически показал, что вода, запертая внутри них, имеет содержание дейтерия и изотопное соотношение, которое почти идеально соответствует таковому в земной воде. Поэтому наиболее общепринятым на данный момент выводом является то, что большая часть нашей воды прибыла на борт этих ледяных планетезималей, которые образовались в холодных и отдаленных районах Солнечной системы, но ближе, чем это сделали кометы.

Окончательный трек

И здесь V883 Orionis идеально подходит, обеспечивая идеальную оригинальную деталь. Новое исследование, по сути, показывает, что сырье, то есть вода с химическими признаками предков звездных облаков (которые позже дали начало кометам и астероидам), не разрушается при звездообразовании, а включается в диск планетарного формирования и остается там, готовый к использованию.

Таким образом, обнаружение тяжелой воды в V883 Ориона является первым прямым свидетельством полного межзвездного путешествия воды: от холодных молекулярных облаков до материалов, которые в конечном итоге формируют планетные системы.

Вода необходима для жизни, и знание того, откуда она берется, поможет нам понять, как формируются ингредиенты, необходимые для процветания жизни, как в нашей, так и в других солнечных системах. Это открытие предполагает, что многие молодые планеты и, возможно, даже миры за пределами нашего, могут унаследовать воду на миллиарды лет старше их самих, напоминая нам, насколько глубоко связано наше собственное существование с глубочайшим прошлым Вселенной.