Ein „Goldlöckchen“-Stern enthüllt einen zuvor verborgenen Schritt, wie Wasser zur Erde gelangt

Ohne Wasser könnte das heutige Leben auf der Erde nicht existieren. Das Verständnis der Geschichte des Wassers im Universum ist entscheidend, um zu verstehen, wie Planeten wie die Erde entstehen.

Astronomen bezeichnen die Reise, die das Wasser von seiner Entstehung als einzelne Moleküle im Weltraum bis zu seinem Ruheort auf den Oberflächen von Planeten zurücklegt, typischerweise als „Wasserspur“. Die Spur beginnt im interstellaren Medium mit Wasserstoff- und Sauerstoffgas und endet mit Ozeanen und Eiskappen auf Planeten, mit eisigen Monden, die Gasriesen umkreisen, und eisigen Kometen und Asteroiden, die Sterne umkreisen. Die Anfänge und Enden dieses Weges sind leicht zu erkennen, aber die Mitte ist ein Rätsel geblieben.

Ich bin Astronom der die Entstehung von Sternen und Planeten anhand von Beobachtungen von Radio- und Infrarotteleskopen untersucht. In einem neuen Artikel beschreiben meine Kollegen und ich das erste Messungen überhaupt dieses bisher verborgenen mittleren Teils der Wasserspur und was diese Funde für das Wasser auf Planeten wie der Erde bedeuten.

Wie Planeten entstehen

Die Entstehung von Sternen und Planeten ist miteinander verflochten. Die sogenannte „Raumleere“ – oder das interstellare Medium – enthält tatsächlich große Mengen an gasförmigem Wasserstoff, kleinere Mengen anderer Gase und Staubkörner. Aufgrund der Schwerkraft werden einige Taschen des interstellaren Mediums entstehen dichter, da Teilchen sich anziehen und Wolken bilden. Wenn die Dichte dieser Wolken zunimmt, beginnen Atome häufiger und zu kollidieren größere Moleküle bilden, einschließlich Wasser, das sich bildet auf Staubkörner und hüllt den Staub in Eis.

Sterne beginnen sich zu bilden, wenn Teile der kollabierenden Wolke eine bestimmte Dichte erreichen und sich ausreichend erwärmen, um Wasserstoffatome miteinander zu verschmelzen. Da zunächst nur ein kleiner Teil des Gases in den neugeborenen Protostern kollabiert, ist der Rest Gas und Staub bildet eine abgeflachte Materialscheibe Kreisen um den sich drehenden, neugeborenen Stern. Astronomen nennen dies eine protoplanetare Scheibe.

Während eisige Staubpartikel in einer protoplanetaren Scheibe miteinander kollidieren, sie beginnen zusammenzuklumpen. Der Prozess setzt sich fort und bildet schließlich die vertrauten Objekte des Weltraums wie Asteroiden, Kometen, Gesteinsplaneten wie die Erde und Gasriesen wie Jupiter oder Saturn.

Zwei Theorien für die Quelle des Wassers

Es gibt zwei mögliche Wege, die das Wasser in unserem Sonnensystem genommen haben könnte. Der erste, genannt chemische Vererbung, ist, wenn die ursprünglich im interstellaren Medium gebildeten Wassermoleküle an protoplanetare Scheiben und alle von ihnen geschaffenen Körper geliefert werden, ohne irgendwelche Veränderungen zu durchlaufen.

Die zweite Theorie heißt chemischer Reset. Bei diesem Prozess bricht die Wärme aus der Bildung der protoplanetaren Scheibe und des neugeborenen Sterns Wassermoleküle auseinander, die sich dann neu bilden, sobald die protoplanetare Scheibe abkühlt.

Um diese Theorien zu testen, betrachten Astronomen wie ich das Verhältnis zwischen normalem Wasser und einer speziellen Art von Wasser, die als halbschweres Wasser bezeichnet wird. Wasser besteht normalerweise aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom. Halbschweres Wasser besteht aus einem Sauerstoffatom, einem Wasserstoffatom und einem Deuteriumatom – einem schwereren Wasserstoffisotop mit einem zusätzlichen Neutron in seinem Kern.

Das Verhältnis von halbschwerem zu normalem Wasser ist ein Orientierungslicht auf der Wasserspur – die Messung des Verhältnisses kann Astronomen viel über die Wasserquelle verraten. Chemische Modelle und Experimente haben gezeigt, dass im kalten interstellaren Medium etwa 1,000-mal mehr halbschweres Wasser produziert wird als unter den Bedingungen einer protoplanetaren Scheibe.

Dieser Unterschied bedeutet, dass Astronomen durch Messen des Verhältnisses von halbschwerem zu normalem Wasser an einem Ort feststellen können, ob dieses Wasser den Weg der chemischen Vererbung oder des chemischen Resets durchlaufen hat.

Messung von Wasser während der Entstehung eines Planeten

Kometen haben ein Verhältnis von halbschwerem zu normalem Wasser, das nahezu perfekt übereinstimmt chemische Vererbung, was bedeutet, dass das Wasser seit seiner ersten Entstehung im Weltraum keine größeren chemischen Veränderungen erfahren hat. Das Verhältnis der Erde liegt irgendwo zwischen dem Vererbungs- und dem Rücksetzverhältnis, wodurch unklar wird, woher das Wasser kam.

Um wirklich zu bestimmen, woher das Wasser auf Planeten kommt, mussten Astronomen eine protoplanetare Goldilocks-Scheibe finden – eine, die genau die richtige Temperatur und Größe hat, um Beobachtungen von Wasser zu ermöglichen. Dies hat erwies sich als unglaublich schwierig. Es ist möglich, halbschweres und normales Wasser zu erkennen, wenn Wasser ein Gas ist; Unglücklicherweise für Astronomen ist die überwiegende Mehrheit der protoplantaren Scheiben sehr kalt und enthalten hauptsächlich Eis, und es ist fast unmöglich, Wasserverhältnisse zu messen aus Eis in interstellaren Entfernungen.

Ein Durchbruch gelang 2016, als meine Kollegen und ich protoplanetare Scheiben um einen seltenen Typ junger Sterne namens FU-Orionis-Sterne untersuchten. Die meisten jungen Sterne verbrauchen Materie aus den sie umgebenden protoplanetaren Scheiben. FU-Orionis-Sterne sind einzigartig, weil sie Materie etwa 100-mal schneller verbrauchen als typische junge Sterne und infolgedessen emittieren hundertmal mehr Energie. Aufgrund dieser höheren Energieabgabe werden die protoplanetaren Scheiben um FU-Orionis-Sterne auf viel höhere Temperaturen erhitzt, wodurch Eis in großen Entfernungen vom Stern in Wasserdampf umgewandelt wird.

Verwendung der Atacama Large Millimeter / Submillimeter Array, ein leistungsstarkes Radioteleskop im Norden Chiles, wir entdeckten eine große, warme protoplanetare Scheibe um den sonnenähnlichen jungen Stern V883 Ori, etwa 1,300 Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Orion.

V883 Ori gibt 200 Mal mehr Energie ab als die Sonne, und meine Kollegen und ich erkannten, dass es ein idealer Kandidat war, um das Verhältnis von halbschwerem zu normalem Wasser zu beobachten.

Abschluss des Wasserweges

Im Jahr 2021 nahm das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array sechs Stunden lang Messungen von V883 Ori vor. Die Daten ergaben a starke Signatur von halbschwerem und normalem Wasser die von der protoplanetaren Scheibe von V883 Ori stammen. Wir haben das Verhältnis von halbschwerem zu normalem Wasser gemessen und festgestellt, dass das Verhältnis sehr hoch war ähnlich wie bei Kometen sowie die gefundenen Verhältnisse in jüngeren Protosternsystemen.

Diese Ergebnisse füllen die Lücke der Wasserspur und schmieden eine direkte Verbindung zwischen Wasser im interstellaren Medium, Protosternen, protoplanetaren Scheiben und Planeten wie der Erde durch den Prozess der Vererbung, nicht durch chemische Rücksetzung.

Die neuen Ergebnisse zeigen definitiv, dass ein erheblicher Teil des Wassers auf der Erde höchstwahrscheinlich vor Milliarden von Jahren entstanden ist, bevor die Sonne überhaupt gezündet hatte. Die Bestätigung des Weges dieses fehlenden Wasserstücks durch das Universum liefert Hinweise auf die Ursprünge des Wassers auf der Erde. Wissenschaftler haben zuvor vorgeschlagen, dass das meiste Wasser auf der Erde stammten von Kometen, die auf den Planeten einschlugen. Die Tatsache, dass die Erde weniger halbschweres Wasser hat als Kometen und V883 Ori, aber mehr, als die chemische Reset-Theorie produzieren würde, bedeutet, dass das Wasser auf der Erde wahrscheinlich aus mehr als einer Quelle stammt.

Dieser Artikel wird erneut veröffentlicht Das Gespräch unter einer Creative Commons-Lizenz. Lies das Original Artikel.

Bild-Kredit: A. Angelich (NRAO/AUI/NSF)/ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), CC BY

• SEO-gestützte Content- und PR-Distribution. Holen Sie sich noch heute Verstärkung.
• Platoblockkette. Web3-Metaverse-Intelligenz. Wissen verstärkt. Hier zugreifen.
• Quelle: https://singularityhub.com/2023/03/17/a-goldilocks-star-reveals-a-previously-hidden-step-in-how-water-gets-to-earth/