Une étoile "Goldilocks" révèle une étape précédemment cachée dans la façon dont l'eau arrive sur Terre

Sans eau, la vie sur Terre ne pourrait pas exister comme elle existe aujourd'hui. Comprendre l'histoire de l'eau dans l'univers est essentiel pour comprendre comment des planètes comme la Terre sont apparues.

Les astronomes se réfèrent généralement au voyage que l'eau effectue depuis sa formation en tant que molécules individuelles dans l'espace jusqu'à son lieu de repos à la surface des planètes comme "la traînée d'eau". Le sentier commence dans le milieu interstellaire avec de l'hydrogène et de l'oxygène gazeux et se termine par des océans et des calottes glaciaires sur des planètes, avec des lunes glacées en orbite autour de géantes gazeuses et de comètes glacées et d'astéroïdes qui orbitent autour des étoiles. Les débuts et les fins de ce sentier sont faciles à voir, mais le milieu est resté un mystère.

je suis astronome qui étudie la formation des étoiles et des planètes à l'aide d'observations de télescopes radio et infrarouges. Dans un nouvel article, mes collègues et moi décrivons les premières mesures jamais faites de cette partie médiane auparavant cachée de la piste de l'eau et ce que ces découvertes signifient pour l'eau trouvée sur des planètes comme la Terre.

Comment se forment les planètes

La formation des étoiles et des planètes est étroitement liée. Le soi-disant « vide de l'espace » - ou le milieu interstellaire - contient en fait grande quantité d'hydrogène gazeux, de petites quantités d'autres gaz, et grains de poussière. En raison de la gravité, certaines poches du milieu interstellaire deviendront plus dense car les particules s'attirent et forment des nuages. À mesure que la densité de ces nuages ​​augmente, les atomes commencent à entrer en collision plus fréquemment et forment des molécules plus grosses, y compris l'eau qui forme sur les grains de poussière et recouvre la poussière de glace.

Les étoiles commencent à se former lorsque des parties du nuage qui s'effondre atteignent une certaine densité et chauffent suffisamment pour commencer à fusionner des atomes d'hydrogène. Étant donné que seule une petite fraction du gaz s'effondre initialement dans la protoétoile nouveau-née, le reste du gaz et de la poussière forme un disque aplati de matériau tournant autour de l'étoile qui tourne et qui vient de naître. Les astronomes appellent cela un disque proto-planétaire.

Alors que des particules de poussière glacées entrent en collision les unes avec les autres à l'intérieur d'un disque proto-planétaire, ils commencent à s'agglutiner. Le processus se poursuit et finit par former les objets familiers de l'espace comme les astéroïdes, les comètes, les planètes rocheuses comme la Terre et les géantes gazeuses comme Jupiter ou Saturne.

Deux théories pour la source d'eau

Il y a deux voies potentielles que l'eau de notre système solaire aurait pu emprunter. Le premier, appelé héritage chimique, c'est lorsque les molécules d'eau formées à l'origine dans le milieu interstellaire sont livrées aux disques proto-planétaires et à tous les corps qu'ils créent sans subir aucune modification.

La deuxième théorie s'appelle réinitialisation chimique. Dans ce processus, la chaleur dégagée par la formation du disque proto-planétaire et de l'étoile naissante brise les molécules d'eau, qui se reforment ensuite une fois que le disque proto-planétaire se refroidit.

Pour tester ces théories, les astronomes comme moi regardent le rapport entre l'eau normale et un type spécial d'eau appelée eau semi-lourde. L'eau est normalement composée de deux atomes d'hydrogène et d'un atome d'oxygène. L'eau semi-lourde est composée d'un atome d'oxygène, d'un atome d'hydrogène et d'un atome de deutérium, un isotope plus lourd de l'hydrogène avec un neutron supplémentaire dans son noyau.

Le rapport entre l'eau semi-lourde et l'eau normale est un guide sur la piste de l'eau - la mesure du rapport peut en dire long sur la source d'eau. Modèles chimiques et les expériences ont montré qu'environ 1,000 XNUMX fois plus d'eau semi-lourde sera produite dans le milieu interstellaire froid que dans les conditions d'un disque protoplanétaire.

Cette différence signifie qu'en mesurant le rapport entre l'eau semi-lourde et l'eau normale à un endroit, les astronomes peuvent dire si cette eau est passée par la voie de l'héritage chimique ou de la réinitialisation chimique.

Mesurer l'eau pendant la formation d'une planète

Les comètes ont un rapport eau semi-lourde/eau normale presque parfaitement conforme à héritage chimique, ce qui signifie que l'eau n'a pas subi de modification chimique majeure depuis sa création dans l'espace. Le rapport de la Terre se situe quelque part entre l'héritage et le rapport de réinitialisation, ce qui ne permet pas de savoir d'où vient l'eau.

Pour vraiment déterminer d'où vient l'eau sur les planètes, les astronomes devaient trouver un disque proto-planétaire en forme de boucle d'or, un disque qui soit juste à la bonne température et à la bonne taille pour permettre l'observation de l'eau. Cela a s'est avéré incroyablement difficile. Il est possible de détecter de l'eau semi-lourde et normale lorsque l'eau est un gaz ; malheureusement pour les astronomes, la grande majorité des disques proto-plantaires sont très froids et contiennent principalement de la glace, et c'est presque impossible de mesurer les ratios d'eau de la glace à des distances interstellaires.

Une percée a eu lieu en 2016, lorsque mes collègues et moi étudiions des disques proto-planétaires autour d'un type rare de jeune étoile appelée étoiles FU Orionis. La plupart des jeunes étoiles consomment la matière des disques proto-planétaires qui les entourent. Les étoiles FU Orionis sont uniques car elles consomment de la matière environ 100 fois plus vite que les jeunes étoiles typiques et, par conséquent, émettent des centaines de fois plus d'énergie. En raison de cette production d'énergie plus élevée, les disques proto-planétaires autour des étoiles FU Orionis sont chauffés à des températures beaucoup plus élevées, transformant la glace en vapeur d'eau à de grandes distances de l'étoile.

Le Réseau de grands millimètres / submillimètres Atacama, un puissant radiotélescope au nord du Chili, nous avons découvert un grand disque proto-planétaire chaud autour de la jeune étoile solaire V883 Ori, à environ 1,300 XNUMX années-lumière de la Terre dans la constellation d'Orion.

V883 Ori émet 200 fois plus d'énergie que le soleil, et mes collègues et moi avons reconnu que c'était un candidat idéal pour observer le rapport eau semi-lourde à normale.

Compléter le sentier de l'eau

En 2021, l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array a pris des mesures du V883 Ori pendant six heures. Les données ont révélé une forte signature des eaux mi-lourdes et normales provenant du disque proto-planétaire de V883 Ori. Nous avons mesuré le rapport entre l'eau semi-lourde et l'eau normale et avons constaté que le rapport était très similaires aux ratios trouvés dans les comètes ainsi que les ratios trouvés dans les systèmes protostar plus jeunes.

Ces résultats comblent le vide de la traînée d'eau en forgeant un lien direct entre l'eau dans le milieu interstellaire, les protoétoiles, les disques proto-planétaires et les planètes comme la Terre par le processus d'héritage, et non de réinitialisation chimique.

Les nouveaux résultats montrent définitivement qu'une partie substantielle de l'eau sur Terre s'est probablement formée il y a des milliards d'années, avant même que le soleil ne se soit allumé. La confirmation de cette pièce manquante du chemin de l'eau à travers l'univers offre des indices sur les origines de l'eau sur Terre. Les scientifiques ont déjà suggéré que la plupart de l'eau sur Terre provenaient de comètes impactant la planète. Le fait que la Terre ait moins d'eau semi-lourde que les comètes et V883 Ori, mais plus que la théorie de la réinitialisation chimique n'en produirait, signifie que l'eau sur Terre provient probablement de plus d'une source.

Cet article est republié de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lis le article original.

Crédit image: A. Angelich (NRAO/AUI/NSF)/ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), CC BY

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