Una estrella de 'Ricitos de oro' revela un paso previamente oculto en cómo llega el agua a la Tierra

Sin agua, la vida en la Tierra no podría existir como lo hace hoy. Comprender la historia del agua en el universo es fundamental para comprender cómo se formaron planetas como la Tierra.

Los astrónomos generalmente se refieren al viaje que realiza el agua desde su formación como moléculas individuales en el espacio hasta su lugar de descanso en la superficie de los planetas como "el rastro del agua". El rastro comienza en el medio interestelar con gas hidrógeno y oxígeno y termina con los océanos y los casquetes polares de los planetas, con lunas heladas que orbitan gigantes gaseosos y cometas y asteroides helados que orbitan estrellas. Los comienzos y finales de este sendero son fáciles de ver, pero el medio sigue siendo un misterio.

soy un astrónomo que estudia la formación de estrellas y planetas utilizando observaciones de radio y telescopios infrarrojos. En un nuevo artículo, mis colegas y yo describimos la primeras mediciones realizadas de esta parte media previamente oculta del rastro de agua y lo que significan estos hallazgos para el agua que se encuentra en planetas como la Tierra.

Cómo se forman los planetas

La formación de estrellas y planetas está entrelazada. El llamado "vacío del espacio" -o el medio interestelar- de hecho contiene grandes cantidades de hidrógeno gaseoso, cantidades más pequeñas de otros gases, y granos de polvo. Debido a la gravedad, algunas bolsas del medio interestelar se volverán más denso a medida que las partículas se atraen entre sí y formar nubes. A medida que aumenta la densidad de estas nubes, los átomos comienzan a chocar con más frecuencia y formar moléculas más grandes, incluida el agua que forma sobre granos de polvo y cubre el polvo con hielo.

Las estrellas comienzan a formarse cuando partes de la nube que colapsa alcanzan una cierta densidad y se calientan lo suficiente como para comenzar a fusionar átomos de hidrógeno. Dado que solo una pequeña fracción del gas colapsa inicialmente en la protoestrella recién nacida, el resto del gas y el polvo forma un disco aplanado de material dando vueltas alrededor de la estrella recién nacida que gira. Los astrónomos llaman a esto un disco protoplanetario.

A medida que las partículas de polvo helado chocan entre sí dentro de un disco protoplanetario, comienzan a agruparse. El proceso continúa y eventualmente forma los objetos familiares del espacio como asteroides, cometas, planetas rocosos como la Tierra y gigantes gaseosos como Júpiter o Saturno.

Dos teorías para la fuente del agua

Hay dos caminos potenciales que podría haber tomado el agua en nuestro sistema solar. El primero, llamado herencia química, es cuando las moléculas de agua formadas originalmente en el medio interestelar son entregadas a los discos protoplanetarios y todos los cuerpos que crean sin sufrir ningún cambio.

La segunda teoría se llama reinicio químico. En este proceso, el calor de la formación del disco protoplanetario y la estrella recién nacida rompe las moléculas de agua, que luego se reforman una vez que el disco protoplanetario se enfría.

Para probar estas teorías, los astrónomos como yo observamos la relación entre el agua normal y un tipo especial de agua llamada agua semipesada. El agua normalmente está formada por dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno. El agua semipesada está formada por un átomo de oxígeno, un átomo de hidrógeno y un átomo de deuterio, un isótopo de hidrógeno más pesado con un neutrón extra en su núcleo.

La proporción de agua semipesada a agua normal es una luz de guía en el rastro del agua: medir la proporción puede decirles mucho a los astrónomos sobre la fuente del agua. Modelos químicos y experimentos han demostrado que se producirá unas 1,000 veces más agua semipesada en el medio interestelar frío que en las condiciones de un disco protoplanetario.

Esta diferencia significa que al medir la proporción de agua semipesada a agua normal en un lugar, los astrónomos pueden saber si esa agua pasó por la vía de herencia química o de reinicio químico.

Medición del agua durante la formación de un planeta

Los cometas tienen una proporción de agua semipesada a normal casi perfectamente en línea con herencia química, lo que significa que el agua no ha sufrido un cambio químico importante desde que se creó por primera vez en el espacio. La relación de la Tierra se encuentra en algún lugar entre la herencia y la relación de reinicio, por lo que no está claro de dónde vino el agua.

Para determinar verdaderamente de dónde proviene el agua de los planetas, los astrónomos necesitaban encontrar un disco protoplanetario de Ricitos de Oro, uno que tuviera la temperatura y el tamaño adecuados para permitir la observación del agua. hacerlo tiene resultó ser increíblemente difícil. Es posible detectar agua semipesada y normal cuando el agua es un gas; desafortunadamente para los astrónomos, la gran mayoría de los discos proto-plantarios son muy fríos y contienen principalmente hielo, y es casi Imposibilidad de medir proporciones de agua. del hielo a distancias interestelares.

Un gran avance se produjo en 2016, cuando mis colegas y yo estábamos estudiando discos protoplanetarios alrededor de un tipo raro de estrella joven llamada estrellas FU Orionis. La mayoría de las estrellas jóvenes consumen materia de los discos protoplanetarios que las rodean. Las estrellas FU Orionis son únicas porque consumen materia unas 100 veces más rápido que las estrellas jóvenes típicas y, como resultado, emitir cientos de veces más energía. Debido a esta mayor producción de energía, los discos protoplanetarios alrededor de las estrellas FU Orionis se calientan a temperaturas mucho más altas, convirtiendo el hielo en vapor de agua a grandes distancias de la estrella.

Usando el Atacama Large Millimeter / submillimeter Array, un poderoso radiotelescopio en el norte de Chile, descubrimos un gran disco protoplanetario cálido alrededor de la joven estrella similar al Sol V883 Ori, a unos 1,300 años luz de la Tierra en la constelación de Orión.

V883 Ori emite 200 veces más energía que el sol, y mis colegas y yo reconocimos que era un candidato ideal para observar la proporción de agua semipesada a normal.

Completando el Camino del Agua

En 2021, el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array tomó medidas de V883 Ori durante seis horas. Los datos revelaron un fuerte firma de agua semi-pesada y normal procedente del disco protoplanetario de V883 Ori. Medimos la proporción de agua semipesada a agua normal y encontramos que la proporción era muy proporciones similares a las que se encuentran en los cometas así como las proporciones encontradas en sistemas de protoestrellas más jóvenes.

Estos resultados llenan la brecha del rastro de agua forjando un vínculo directo entre el agua en el medio interestelar, las protoestrellas, los discos protoplanetarios y planetas como la Tierra a través del proceso de herencia, no de reinicio químico.

Los nuevos resultados muestran definitivamente que una parte sustancial del agua en la Tierra probablemente se formó hace miles de millones de años, incluso antes de que el sol se encendiera. La confirmación de este trozo de agua que falta en el camino a través del universo ofrece pistas sobre los orígenes del agua en la Tierra. Los científicos han sugerido previamente que la mayor parte del agua en la Tierra provino de cometas que impactaron el planeta. El hecho de que la Tierra tenga menos agua semipesada que los cometas y V883 Ori, pero más de lo que produciría la teoría del reinicio químico, significa que el agua en la Tierra probablemente provenga de más de una fuente.

Este artículo se republica de La conversación bajo una licencia Creative Commons. Leer el articulo original.

Crédito de la imagen: A. Angelich (NRAO/AUI/NSF)/ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), CC BY

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• Fuente: https://singularityhub.com/2023/03/17/a-goldilocks-star-reveals-a-previously-hidden-step-in-how-water-gets-to-earth/