ستاره "Goldilocks" مرحله پنهان قبلی را در نحوه رسیدن آب به زمین نشان می دهد

ستاره "Goldilocks" مرحله پنهان قبلی را در نحوه رسیدن آب به زمین نشان می دهد

تمبر زمان: 17 مارس 2023، 11:10 صبح

بدون آب، حیات روی زمین نمی توانست مانند امروز وجود داشته باشد. درک تاریخچه آب در جهان برای درک چگونگی پیدایش سیاراتی مانند زمین بسیار مهم است.

اخترشناسان معمولاً به سفری که آب از شکل‌گیری آن به عنوان مولکول‌های منفرد در فضا تا محل استراحت آن روی سطوح سیارات می‌گذرد، «رد آب» می‌گویند. این مسیر در محیط بین ستاره‌ای با گاز هیدروژن و اکسیژن شروع می‌شود و با اقیانوس‌ها و کلاهک‌های یخی در سیارات، با قمرهای یخی که به دور غول‌های گازی و دنباله‌دارهای یخی و سیارک‌هایی که به دور ستاره‌ها می‌چرخند، پایان می‌یابد. ابتدا و انتهای این مسیر به راحتی قابل مشاهده است، اما میانه آن یک راز باقی مانده است.

من یک ستاره شناس هستم که شکل گیری ستارگان و سیارات را با استفاده از مشاهدات رادیویی و تلسکوپ های فروسرخ مطالعه می کند. در مقاله ای جدید، من و همکارانم این موضوع را شرح می دهیم اولین اندازه گیری های انجام شده از این بخش میانی که قبلا پنهان شده بود و این یافته ها چه معنایی برای آب یافت شده در سیاراتی مانند زمین دارد.

پیشرفت یک منظومه ستاره ای از ابری از غبار و گاز به یک ستاره بالغ با سیارات در حال گردش.
تشکیل ستاره و سیاره فرآیندی درهم تنیده است که با ابری از مولکول ها در فضا شروع می شود. اعتبار تصویر: بیل ساکستون ، NRAO/AUI/NSF ، CC توسط

سیارات چگونه تشکیل می شوند

شکل گیری ستارگان و سیارات در هم تنیده شده است. به اصطلاح «خالی بودن فضا» - یا محیط بین ستاره ای - در واقع شامل مقادیر زیادی هیدروژن گازی، مقادیر کمتری از گازهای دیگر ، و دانه های گرد و غبار. به دلیل گرانش، برخی از جیب های محیط بین ستاره ای تبدیل می شوند چگالی تر چون ذرات یکدیگر را جذب می کنند و ابرها را تشکیل می دهند. با افزایش چگالی این ابرها، اتم ها شروع به برخورد بیشتر می کنند و مولکول های بزرگتری را تشکیل می دهند، از جمله آب که شکل می گیرد روی دانه های غبار و گرد و غبار را در یخ می پوشاند.

ستارگان زمانی شروع به شکل‌گیری می‌کنند که بخش‌هایی از ابر در حال فروپاشی به چگالی معینی می‌رسند و آنقدر گرم می‌شوند که شروع به همجوشی اتم‌های هیدروژن با هم می‌کنند. از آنجایی که تنها بخش کوچکی از گاز در ابتدا به پیش ستاره تازه متولد شده فرو می ریزد، بقیه گاز و غبار یک دیسک صاف از مواد تشکیل می دهد دور ستاره در حال چرخش و تازه متولد شده می چرخد. اخترشناسان این را یک دیسک پروتئین می نامند.

همانطور که ذرات غبار یخی در داخل یک دیسک پیش سیاره ای با یکدیگر برخورد می کنند، آنها شروع به جمع شدن با هم می کنند. این روند ادامه دارد و سرانجام اشیاء آشنا از فضا مانند سیارک ها ، دنباله دارها ، سیارات سنگی مانند زمین و غول های گاز مانند مشتری یا کیوان را تشکیل می دهد.

دو نظریه برای منبع آب

دو مسیر بالقوه وجود دارد که آب در منظومه شمسی ما می تواند طی کند. اولی، به نام وراثت شیمیایی، زمانی است که مولکول های آب که در ابتدا در محیط بین ستاره ای تشکیل شده اند ، به دیسک های پروتئین و تمام بدنهایی که ایجاد می کنند بدون ایجاد هیچ تغییری تحویل داده می شوند.

نظریه دوم نام دارد ریست شیمیایی. در این فرآیند، گرمای حاصل از تشکیل دیسک پیش سیاره ای و ستاره تازه متولد شده، مولکول های آب را از هم جدا می کند و پس از سرد شدن قرص پیش سیاره ای، این مولکول ها اصلاح می شوند.

برای آزمایش این نظریه ها، ستاره شناسانی مانند من به نسبت بین آب معمولی و نوع خاصی از آب به نام آب نیمه سنگین نگاه می کنند. آب به طور معمول از دو اتم هیدروژن و یک اتم اکسیژن ساخته شده است. آب نیمه سنگین از یک اتم اکسیژن ، یک اتم هیدروژن و یک اتم دوتریوم ساخته شده است-ایزوتوپ سنگین تر هیدروژن با نوترون اضافی در هسته آن.

نسبت نیمه سنگین به آب معمولی ، چراغ راهنما در مسیر آب است-اندازه گیری این نسبت می تواند در مورد منبع آب به اخترشناسان زیادی بگوید. مدل های شیمیایی و آزمایش نشان داده اند که حدود 1,000 برابر بیشتر آب نیمه سنگین در محیط سرد میان ستاره ای تولید خواهد شد. نسبت به شرایط یک دیسک پیش سیاره ای.

این تفاوت به این معنی است که با اندازه گیری نسبت نیمه سنگین به آب طبیعی در یک مکان ، اخترشناسان می توانند بگویند که آیا این آب از میراث شیمیایی یا مسیر تنظیم مجدد شیمیایی عبور کرده است.

ستاره ای که توسط حلقه ای از گاز و غبار احاطه شده است.
V883 Orionis یک منظومه ستاره‌ای جوان با یک ستاره نادر در مرکز آن است که اندازه‌گیری آب در ابر پیش سیاره‌ای را که در برش نشان داده شده است، ممکن می‌سازد. اعتبار تصویر: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)، B. Saxton (NRAO/AUI/NSF)، CC BY

اندازه گیری آب در هنگام تشکیل سیاره

نسبت آب نیمه سنگین به معمولی ستاره های دنباله دار تقریباً کاملاً مطابق با آن است وراثت شیمیایی، به این معنی که آب از اولین باری که در فضا ایجاد شده است، دستخوش تغییر شیمیایی عمده ای نشده است. نسبت زمین جایی بین نسبت وراثت و تنظیم مجدد قرار می گیرد و مشخص نیست که آب از کجا آمده است.

اخترشناسان برای اینکه واقعاً تعیین کنند آب سیارات از کجا می آید، باید یک قرص پیش سیاره ای طلایی لاک پیدا کنند - قرصی که دما و اندازه مناسبی برای رصد آب داشته باشد. انجام این کار ثابت کرد که فوق العاده دشوار است. تشخیص آب نیمه سنگین و معمولی زمانی که آب گاز است امکان پذیر است. متأسفانه برای ستاره شناسان، اکثر قریب به اتفاق دیسک های پیش سیاره ای بسیار سرد هستند و بیشتر حاوی یخ است، و نزدیک است اندازه گیری نسبت آب غیرممکن است از یخ در فواصل بین ستاره ای

این موفقیت در سال 2016 رخ داد ، هنگامی که من و همکاران من در حال مطالعه دیسک های پروتئین در اطراف یک نوع نادر از ستاره جوان به نام Fu Orionis Stars بودیم. بیشتر ستارگان جوان از دیسک های پیش سیاره ای اطراف خود مواد را مصرف می کنند. ستارگان FU Orionis منحصر به فرد هستند زیرا حدود 100 برابر سریعتر از ستاره های جوان معمولی ماده را مصرف می کنند و در نتیجه، صدها بار انرژی بیشتری منتشر کنید. با توجه به این انرژی خروجی بالاتر، دیسک‌های پیش سیاره‌ای اطراف ستاره‌های FU Orionis تا دمای بسیار بالاتری گرم می‌شوند و یخ را به بخار آب در فواصل زیادی از ستاره تبدیل می‌کنند.

با استفاده از آرایه میلی متری/زیر میلی متری بزرگ آتاکامایک تلسکوپ رادیویی قدرتمند در شمال شیلی، ما کشف کردیم یک دیسک پیش سیاره ای بزرگ و گرم در اطراف ستاره جوان V883 Ori که حدود 1,300 سال نوری از زمین فاصله دارد در صورت فلکی شکارچی.

V883 ORI 200 برابر انرژی بیشتری نسبت به خورشید ساطع می کند ، و من و همکاران من تشخیص دادیم که این یک کاندیدای ایده آل برای مشاهده نسبت آب نیمه سنگین به طبیعی است.

تصویر رادیویی از دیسک اطراف V883 Ori.
دیسک پیش سیاره ای اطراف V883 Ori حاوی آب گازی است که در لایه نارنجی نشان داده شده است و به اخترشناسان اجازه می دهد تا نسبت آب نیمه سنگین به معمولی را اندازه گیری کنند. اعتبار تصویر: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)، J. Tobin، B. Saxton (NRAO/AUI/NSF)، CC BY

تکمیل مسیر آب

در سال 2021، آرایه میلی‌متری/زیر میلی‌متری آتاکاما بزرگ اندازه‌گیری V883 Ori را به مدت شش ساعت انجام داد. داده ها نشان داد a امضای قوی آب نیمه سنگین و معمولی از دیسک پروتئین پروتئین V883 ORI. ما نسبت آب نیمه سنگین به معمولی را اندازه گرفتیم و متوجه شدیم که این نسبت بسیار است مشابه نسبت های موجود در دنباله دارها و همچنین نسبت های یافت شده در سیستم های پیش ستاره جوان تر.

این نتایج شکاف دنباله آب را پر می کند و ارتباط مستقیمی بین آب در محیط بین ستاره ای، پیش ستاره ها، قرص های پیش سیاره ای و سیاراتی مانند زمین از طریق فرآیند وراثت و نه بازنشانی شیمیایی ایجاد می کند.

نتایج جدید به طور قطع نشان می دهد که بخش قابل توجهی از آب روی زمین به احتمال زیاد میلیاردها سال پیش، قبل از اینکه خورشید حتی مشتعل شود، تشکیل شده است. تأیید این قطعه گم شده از مسیر آب در جهان سرنخ هایی از منشاء آب در زمین ارائه می دهد. دانشمندان قبلاً پیشنهاد کرده اند که بیشتر آب روی زمین است از دنباله دارها که بر روی سیاره تأثیر می گذارد آمد. این واقعیت که زمین نسبت به ستاره های دنباله دار و V883 ORI از آب نیمه سنگین کمتری برخوردار است ، اما بیشتر از نظریه تنظیم مجدد شیمیایی تولید می کند ، به این معنی است که احتمالاً آب روی زمین از بیش از یک منبع تهیه شده است.گفتگو

این مقاله از مجله منتشر شده است گفتگو تحت مجوز Creative Commons دفعات بازدید: مقاله.

تصویر های اعتباری: A. Angelich (NRAO/AUI/NSF)/ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), CC BY

تمبر زمان:

بیشتر از تکینگی هاب