Una stella "Riccioli d'oro" rivela un passaggio precedentemente nascosto nel modo in cui l'acqua arriva sulla Terra

Senza acqua, la vita sulla Terra non potrebbe esistere come oggi. Comprendere la storia dell'acqua nell'universo è fondamentale per capire come nascono i pianeti come la Terra.

Gli astronomi in genere si riferiscono al viaggio che l'acqua compie dalla sua formazione come singole molecole nello spazio al suo luogo di riposo sulle superfici dei pianeti come "la scia dell'acqua". Il percorso inizia nel mezzo interstellare con idrogeno e ossigeno gassoso e termina con oceani e calotte glaciali sui pianeti, con lune ghiacciate in orbita attorno a giganti gassosi e comete ghiacciate e asteroidi che orbitano intorno alle stelle. L'inizio e la fine di questo sentiero sono facili da vedere, ma la parte centrale è rimasta un mistero.

Sono un astronomo che studia la formazione di stelle e pianeti utilizzando osservazioni da radio e telescopi a infrarossi. In un nuovo articolo, io e i miei colleghi descriviamo il prime misurazioni mai effettuate di questa parte centrale precedentemente nascosta del sentiero dell'acqua e cosa significano questi risultati per l'acqua trovata su pianeti come la Terra.

Come si formano i pianeti

La formazione di stelle e pianeti è intrecciata. Il cosiddetto “vuoto dello spazio” – o il mezzo interstellare – contiene infatti grandi quantità di idrogeno gassoso, quantità minori di altri gas, e granelli di polvere. A causa della gravità, diventeranno alcune sacche del mezzo interstellare più denso quando le particelle si attraggono e formare nuvole. Man mano che la densità di queste nuvole aumenta, gli atomi iniziano a scontrarsi più frequentemente e formare molecole più grandi, compresa l'acqua che si forma sui granelli di polvere e ricopre la polvere di ghiaccio.

Le stelle iniziano a formarsi quando parti della nube che collassa raggiungono una certa densità e si riscaldano abbastanza da iniziare a fondere insieme gli atomi di idrogeno. Poiché solo una piccola frazione del gas collassa inizialmente nella protostella neonata, il resto del gas e della polvere forma un disco appiattito di materiale girando intorno alla stella appena nata che gira. Gli astronomi lo chiamano un disco proto-planetario.

Quando le particelle di polvere ghiacciata si scontrano tra loro all'interno di un disco proto-planetario, iniziano a raggrupparsi insieme. Il processo continua e alla fine forma gli oggetti familiari dello spazio come asteroidi, comete, pianeti rocciosi come la Terra e giganti gassosi come Giove o Saturno.

Due teorie per la fonte dell'acqua

Ci sono due potenziali percorsi che l'acqua nel nostro sistema solare potrebbe aver preso. Il primo, chiamato eredità chimica, è quando le molecole d'acqua originariamente formate nel mezzo interstellare vengono consegnate ai dischi proto-planetari e a tutti i corpi che creano senza subire alcun cambiamento.

La seconda teoria è chiamata ripristino chimico. In questo processo, il calore della formazione del disco proto-planetario e della stella neonata rompe le molecole d'acqua, che poi si riformano una volta che il disco proto-planetario si raffredda.

Per testare queste teorie, gli astronomi come me osservano il rapporto tra l'acqua normale e un tipo speciale di acqua chiamata acqua semipesante. L'acqua è normalmente composta da due atomi di idrogeno e un atomo di ossigeno. L'acqua semipesante è composta da un atomo di ossigeno, un atomo di idrogeno e un atomo di deuterio, un isotopo più pesante dell'idrogeno con un neutrone in più nel nucleo.

Il rapporto tra acqua semipesante e normale è una luce guida sulla scia dell'acqua: misurare il rapporto può dire molto agli astronomi sulla fonte dell'acqua. Modelli chimici ed esperimenti hanno dimostrato che nel mezzo interstellare freddo verrà prodotta circa 1,000 volte più acqua semipesante che nelle condizioni di un disco protoplanetario.

Questa differenza significa che misurando il rapporto tra acqua semipesante e acqua normale in un luogo, gli astronomi possono dire se quell'acqua ha attraversato il percorso di eredità chimica o di ripristino chimico.

Misurazione dell'acqua durante la formazione di un pianeta

Le comete hanno un rapporto tra acqua semipesante e acqua normale quasi perfettamente in linea con eredità chimica, il che significa che l'acqua non ha subito un grande cambiamento chimico da quando è stata creata per la prima volta nello spazio. Il rapporto terrestre si trova da qualche parte tra l'ereditarietà e il rapporto di ripristino, rendendo poco chiaro da dove provenga l'acqua.

Per determinare veramente da dove provenga l'acqua sui pianeti, gli astronomi avevano bisogno di trovare un disco proto-planetario di riccioli d'oro, uno che avesse la temperatura e le dimensioni giuste per consentire le osservazioni dell'acqua. In questo modo ha si è rivelato incredibilmente difficile. È possibile rilevare acqua semipesante e normale quando l'acqua è un gas; sfortunatamente per gli astronomi, la stragrande maggioranza dei dischi proto-plantari è molto fredda e contengono principalmente ghiaccio, ed è quasi impossibile misurare i rapporti dell'acqua dal ghiaccio a distanze interstellari.

Una svolta è arrivata nel 2016, quando io e i miei colleghi stavamo studiando i dischi protoplanetari attorno a un raro tipo di giovane stella chiamata stella FU Orionis. La maggior parte delle giovani stelle consuma la materia dei dischi protoplanetari che le circondano. Le stelle FU Orionis sono uniche perché consumano materia circa 100 volte più velocemente delle tipiche giovani stelle e, di conseguenza, emettono centinaia di volte più energia. A causa di questa maggiore produzione di energia, i dischi proto-planetari attorno alle stelle FU Orionis vengono riscaldati a temperature molto più elevate, trasformando il ghiaccio in vapore acqueo a grandi distanze dalla stella.

Usando il Matrice Atacama Millimetrica / submillimetrica, un potente radiotelescopio nel nord del Cile, abbiamo scoperto un grande e caldo disco proto-planetario attorno alla giovane stella simile al sole V883 Ori, a circa 1,300 anni luce dalla Terra nella costellazione di Orione.

V883 Ori emette 200 volte più energia del sole, e io e i miei colleghi abbiamo riconosciuto che era un candidato ideale per osservare il rapporto tra acqua semi-pesante e normale.

Completamento del sentiero dell'acqua

Nel 2021, l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array ha effettuato misurazioni di V883 Ori per sei ore. I dati hanno rivelato a forte firma di acqua semipesante e normale proveniente dal disco proto-planetario di V883 Ori. Abbiamo misurato il rapporto tra acqua semipesante e acqua normale e abbiamo scoperto che il rapporto era molto simili ai rapporti trovati nelle comete così come i rapporti trovati nei sistemi protostellari più giovani.

Questi risultati colmano il vuoto della scia dell'acqua creando un collegamento diretto tra l'acqua nel mezzo interstellare, le protostelle, i dischi proto-planetari e i pianeti come la Terra attraverso il processo di ereditarietà, non il reset chimico.

I nuovi risultati mostrano definitivamente che una parte sostanziale dell'acqua sulla Terra molto probabilmente si è formata miliardi di anni fa, prima ancora che il sole si accendesse. La conferma di questo pezzo mancante del percorso dell'acqua attraverso l'universo offre indizi sulle origini dell'acqua sulla Terra. Gli scienziati hanno precedentemente suggerito che la maggior parte dell'acqua sulla Terra proveniva dalle comete che colpivano il pianeta. Il fatto che la Terra abbia meno acqua semi-pesante delle comete e di V883 Ori, ma più di quanto la teoria del ripristino chimico produrrebbe, significa che l'acqua sulla Terra probabilmente proveniva da più di una fonte.

Questo articolo è ripubblicato da The Conversation sotto una licenza Creative Commons. Leggi il articolo originale.

Immagine di credito: A. Angelich (NRAO/AUI/NSF)/ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), CC BY

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