כוכב 'זהבה' חושף שלב נסתר בעבר באיך המים מגיעים לכדור הארץ

ללא מים, החיים על פני כדור הארץ לא היו יכולים להתקיים כפי שהם מתקיימים כיום. הבנת ההיסטוריה של המים ביקום היא קריטית כדי להבין כיצד נוצרים כוכבי לכת כמו כדור הארץ.

אסטרונומים מתייחסים בדרך כלל למסע של המים מהיווצרותם כמולקולות בודדות בחלל ועד למקום מנוחתם על פני כוכבי הלכת כ"שביל המים". השביל מתחיל בתווך הבין-כוכבי עם גז מימן וחמצן ומסתיים באוקיינוסים ובכיפות קרח על כוכבי לכת, עם ירחים קפואים המקיפים ענקי גז ושביטים קפואים ואסטרואידים המקיפים כוכבים. קל לראות את ההתחלה והסוף של השביל הזה, אבל האמצע נשאר בגדר תעלומה.

אני אסטרונום החוקר את היווצרותם של כוכבים וכוכבי לכת באמצעות תצפיות מרדיו וטלסקופים אינפרא אדום. במאמר חדש, עמיתיי ואני מתארים את מדידות ראשונות שנעשו אי פעם של החלק האמצעי שהיה מוסתר בעבר של שביל המים ומה משמעות הממצאים הללו עבור המים שנמצאו על כוכבי לכת כמו כדור הארץ.

איך נוצרים כוכבי לכת

היווצרותם של כוכבים וכוכבי לכת שלובים זה בזה. מה שמכונה "ריקנות החלל" - או המדיום הבין-כוכבי - מכיל למעשה כמויות גדולות של מימן גזי, כמויות קטנות יותר של גזים אחרים, ו גרגירי אבק. בגלל כוח הכבידה, כמה כיסים של המדיום הבין-כוכבי יהפכו צפופים יותר ככל שחלקיקים מושכים זה את זה ויוצרים עננים. ככל שהצפיפות של העננים הללו עולה, אטומים מתחילים להתנגש בתדירות גבוהה יותר יוצרים מולקולות גדולות יותר, כולל מים שנוצרים על גרגרי אבק ומצפה את האבק בקרח.

כוכבים מתחילים להיווצר כאשר חלקים מהענן המתמוטט מגיעים לצפיפות מסוימת ומתחממים מספיק כדי להתחיל למזג יחד אטומי מימן. מכיוון שרק חלק קטן מהגז קורס בתחילה לתוך הפרוטוסטאר שזה עתה נולד, שאר הגז והאבק יוצר דיסק פחוס של חומר מסתובב סביב הכוכב המסתובב, שזה עתה נולד. אסטרונומים קוראים לזה דיסק פרוטו-פלנטרי.

כאשר חלקיקי אבק קפואים מתנגשים זה בזה בתוך דיסק פרוטו-פלנטרי, הם מתחילים להתקבץ יחד. התהליך ממשיך ובסופו של דבר יוצר את האובייקטים המוכרים של החלל כמו אסטרואידים, שביטים, כוכבי לכת סלעיים כמו כדור הארץ וענקי גזים כמו צדק או שבתאי.

שתי תיאוריות למקור המים

ישנם שני מסלולים פוטנציאליים שהמים במערכת השמש שלנו יכלו לעבור. הראשון, נקרא תורשה כימית, הוא כאשר מולקולות המים שנוצרו במקור בתווך הבין-כוכבי מועברות לדיסקים פרוטו-פלנטריים ולכל הגופים שהם יוצרים מבלי לעבור שינויים כלשהם.

התיאוריה השנייה נקראת איפוס כימי. בתהליך זה, החום מהיווצרות הדיסק הפרו-פלנטרי והכוכב הנולד מפרק מולקולות מים, אשר לאחר מכן מתחדשות לאחר שהדיסק הפרו-פלנטרי מתקרר.

כדי לבדוק את התיאוריות הללו, אסטרונומים כמוני בוחנים את היחס בין מים רגילים לבין סוג מיוחד של מים שנקרא מים חצי כבדים. מים עשויים בדרך כלל משני אטומי מימן ואטום חמצן אחד. מים חצי כבדים עשויים מאטום חמצן אחד, אטום מימן אחד ואטום אחד של דאוטריום - איזוטופ כבד יותר של מימן עם נויטרון נוסף בגרעין שלו.

היחס בין מים חצי כבדים למים רגילים הוא אור מנחה על שביל המים - מדידת היחס יכולה לספר לאסטרונומים הרבה על מקור המים. מודלים כימיים ו ניסויים הראו שפי 1,000 יותר מים חצי כבדים יופקו במדיום הבין-כוכבי הקר מאשר בתנאים של דיסק פרוטופלנטרי.

ההבדל הזה אומר שעל ידי מדידת היחס בין מים חצי כבדים למים רגילים במקום, אסטרונומים יכולים לדעת אם המים האלה עברו את ההורשה הכימית או את מסלול האיפוס הכימי.

מדידת מים במהלך היווצרות כוכב לכת

לשביטים יש יחס של מים חצי כבדים למים רגילים באופן כמעט מושלם תורשה כימית, כלומר המים לא עברו שינוי כימי גדול מאז שנוצרו לראשונה בחלל. היחס של כדור הארץ נמצא איפשהו בין יחס הירושה לאיפוס, מה שהופך אותו לא ברור מהיכן הגיעו המים.

כדי לקבוע באמת מהיכן מגיעים המים על כוכבי הלכת, אסטרונומים היו צריכים למצוא דיסק פרוטו-פלנטרי של זהב - כזה שהוא בדיוק הטמפרטורה והגודל הנכונים כדי לאפשר תצפיות על מים. לעשות כן התגלה כקשה להפליא. ניתן לזהות מים חצי כבדים ורגילים כאשר מים הם גז; למרבה הצער עבור אסטרונומים, הרוב המכריע של דיסקים פרוטו-צמחיים קרים מאוד ו מכילים בעיקר קרח, וזה כמעט בלתי אפשרי למדוד יחסי מים מקרח במרחקים בין כוכביים.

פריצת דרך הגיעה בשנת 2016, כאשר עמיתיי ואני חקרנו דיסקות פרוטו-פלנטריות סביב סוג נדיר של כוכב צעיר בשם כוכבי FU Orionis. רוב הכוכבים הצעירים צורכים חומר מהדיסקות הפרוטו-פלנטריות שמסביבם. כוכבי FU Orionis הם ייחודיים מכיוון שהם צורכים חומר בערך פי 100 מהר יותר מכוכבים צעירים טיפוסיים, וכתוצאה מכך, פולטים פי מאות יותר אנרגיה. בשל תפוקת האנרגיה הגבוהה הזו, הדיסקות הפרוטו-פלנטריות סביב כוכבי FU Orionis מחוממות לטמפרטורות גבוהות בהרבה, והופכות קרח לאדי מים החוצה למרחקים גדולים מהכוכב.

משתמש ב מערך מילימטר / תת מילימטר גדול של אטקמה, טלסקופ רדיו רב עוצמה בצפון צ'ילה, גילינו דיסק פרוטו-פלנטרי גדול וחם סביב הכוכב הצעיר V883 Ori דמוי השמש, במרחק של כ-1,300 שנות אור מכדור הארץ בקבוצת הכוכבים אוריון.

V883 Ori פולט פי 200 יותר אנרגיה מהשמש, ועמיתיי ואני זיהינו שזה מועמד אידיאלי לבחון את יחס המים החצי-כבדים לנורמליים.

השלמת שביל המים

בשנת 2021, מערך Atacama Large Millimeter/submillimeter ערך מדידות של V883 Ori במשך שש שעות. הנתונים העלו א חתימה חזקה של מים חצי כבדים ורגילים מגיע מהדיסק הפרוטו-פלנטרי של V883 Ori. מדדנו את היחס בין מים חצי כבדים למים רגילים וגילינו שהיחס היה מאוד דומה ליחסים שנמצאים בשביטים כמו גם היחסים שנמצאו במערכות פרוטוסטאר צעירות יותר.

תוצאות אלו ממלאות את הפער של שביל המים ויוצרות קשר ישיר בין מים במדיום הבין-כוכבי, פרוטוסטארים, דיסקים פרוטו-פלנטריים וכוכבי לכת כמו כדור הארץ בתהליך של ירושה, לא איפוס כימי.

התוצאות החדשות מראות באופן סופי שחלק ניכר מהמים על פני כדור הארץ נוצר ככל הנראה לפני מיליארדי שנים, לפני שהשמש בכלל ניצתה. אישור נתיב המים החסר הזה דרך היקום מציע רמזים למקורות המים בכדור הארץ. מדענים הציעו בעבר שרוב המים על פני כדור הארץ הגיע משביטים שפגעו בכוכב הלכת. העובדה שלכדור הארץ יש פחות מים חצי כבדים משביטים ו-V883 Ori, אבל יותר ממה שתורת האיפוס הכימי תייצר, פירושה שהמים על פני כדור הארץ הגיעו ככל הנראה מיותר ממקור אחד.

מאמר זה פורסם מחדש מתוך שיחה תחת רישיון Creative Commons. קרא את ה מאמר מקורי.

תמונת אשראי: א. אנג'ליך (NRAO/AUI/NSF)/ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), CC BY

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. ידע מוגבר. גישה כאן.
• מקור: https://singularityhub.com/2023/03/17/a-goldilocks-star-reveals-a-previously-hidden-step-in-how-water-gets-to-earth/