En "Goldilocks"-stjerne avslører et tidligere skjult trinn i hvordan vann kommer til jorden

Uten vann kunne ikke livet på jorden eksistert slik det gjør i dag. Å forstå historien til vannet i universet er avgjørende for å forstå hvordan planeter som Jorden blir til.

Astronomer omtaler vanligvis reisen vannet tar fra det dannes som individuelle molekyler i rommet til dets hvilested på overflaten av planeter som "vannstien." Stien starter i det interstellare mediet med hydrogen og oksygengass og ender med hav og iskapper på planeter, med iskalde måner som kretser rundt gassgiganter og iskalde kometer og asteroider som går i bane rundt stjerner. Begynnelsen og slutten av denne stien er lett å se, men midten har forblitt et mysterium.

Jeg er en astronom som studerer dannelsen av stjerner og planeter ved hjelp av observasjoner fra radio og infrarøde teleskoper. I en ny artikkel beskriver kollegene mine og jeg de første målingene noensinne av denne tidligere skjulte midtre delen av vannstien og hva disse funnene betyr for vannet som finnes på planeter som Jorden.

Hvordan planeter dannes

Dannelsen av stjerner og planeter henger sammen. Den såkalte "tomheten i rommet" - eller det interstellare mediet - inneholder faktisk store mengder gassformig hydrogen, mindre mengder andre gasser, og støvkorn. På grunn av tyngdekraften vil noen lommer av det interstellare mediet bli tettere ettersom partikler tiltrekker hverandre og danner skyer. Når tettheten til disse skyene øker, begynner atomer å kollidere oftere og danner større molekyler, inkludert vann som dannes på støvkorn og belegger støvet i is.

Stjerner begynner å dannes når deler av den kollapsende skyen når en viss tetthet og varmes opp nok til å begynne å smelte sammen hydrogenatomer. Siden bare en liten del av gassen først kollapser inn i den nyfødte protostjernen, vil resten av gassen og støvet danner en flat skive av materiale sirkler rundt den snurrende, nyfødte stjernen. Astronomer kaller dette en proto-planetarisk disk.

Når isete støvpartikler kolliderer med hverandre inne i en proto-planetarisk skive, de begynner å klumpe seg sammen. Prosessen fortsetter og danner til slutt de kjente objektene i verdensrommet som asteroider, kometer, steinete planeter som Jorden og gassgiganter som Jupiter eller Saturn.

To teorier for kilden til vann

Det er to potensielle veier som vann i solsystemet vårt kunne ha tatt. Den første, kalt kjemisk arv, er når vannmolekylene som opprinnelig ble dannet i det interstellare mediet, leveres til proto-planetariske skiver og alle legemer de lager uten å gå gjennom noen endringer.

Den andre teorien kalles kjemisk tilbakestilling. I denne prosessen bryter varmen fra dannelsen av den proto-planetariske skiven og den nyfødte stjernen fra hverandre vannmolekyler, som deretter reformeres når den proto-planetariske skiven avkjøles.

For å teste disse teoriene ser astronomer som meg på forholdet mellom normalt vann og en spesiell type vann som kalles halvtungt vann. Vann er vanligvis laget av to hydrogenatomer og ett oksygenatom. Halvtungt vann er laget av ett oksygenatom, ett hydrogenatom og ett deuteriumatom - en tyngre isotop av hydrogen med et ekstra nøytron i kjernen.

Forholdet mellom halvtungt og normalt vann er et veiledende lys på vannstien - måling av forholdet kan fortelle astronomer mye om vannkilden. Kjemiske modeller og eksperimenter har vist at rundt 1,000 ganger mer halvtungt vann vil bli produsert i det kalde interstellare mediet enn under forholdene til en protoplanetarisk skive.

Denne forskjellen betyr at ved å måle forholdet mellom halvtungt og normalt vann på et sted, kan astronomer fortelle om vannet gikk gjennom den kjemiske arven eller den kjemiske tilbakestillingsveien.

Måle vann under dannelsen av en planet

Kometer har et forhold mellom halvtungt og normalt vann nesten perfekt på linje med kjemisk arv, noe som betyr at vannet ikke har gjennomgått en stor kjemisk endring siden det først ble skapt i verdensrommet. Jordens forhold ligger et sted mellom arve- og tilbakestillingsforholdet, noe som gjør det uklart hvor vannet kom fra.

For virkelig å finne ut hvor vannet på planetene kommer fra, trengte astronomer å finne en gulllokk proto-planetarisk skive - en som har akkurat den rette temperaturen og størrelsen for å tillate observasjoner av vann. Å gjøre det har viste seg å være utrolig vanskelig. Det er mulig å oppdage halvtungt og normalt vann når vann er en gass; Dessverre for astronomer er de aller fleste proto-plantariske disker veldig kalde og inneholder for det meste is, og det er nesten umulig å måle vannforhold fra is på interstellare avstander.

Et gjennombrudd kom i 2016, da kollegene mine og jeg studerte proto-planetariske skiver rundt en sjelden type unge stjerne kalt FU Orionis-stjerner. De fleste unge stjerner forbruker materie fra de proto-planetariske skivene rundt dem. FU Orionis-stjerner er unike fordi de forbruker materie omtrent 100 ganger raskere enn typiske unge stjerner, og som et resultat, avgir hundrevis av ganger mer energi. På grunn av denne høyere energiproduksjonen blir de proto-planetariske skivene rundt FU Orionis-stjernene oppvarmet til mye høyere temperaturer, og gjør is til vanndamp ut til store avstander fra stjernen.

Bruke Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, et kraftig radioteleskop i det nordlige Chile, vi oppdaget en stor, varm proto-planetarisk skive rundt den sollignende unge stjernen V883 Ori, omtrent 1,300 lysår fra jorden i stjernebildet Orion.

V883 Ori avgir 200 ganger mer energi enn solen, og kollegene mine og jeg erkjente at det var en ideell kandidat til å observere forholdet mellom halvtungt og normalt vann.

Fullføre vannstien

I 2021 tok Atacama Large Millimeter/submillimeter Array målinger av V883 Ori i seks timer. Dataene avslørte en sterk signatur av halvtungt og normalt vann kommer fra V883 Oris proto-planetariske disk. Vi målte forholdet mellom halvtungt og normalt vann og fant ut at forholdet var veldig ligner på forhold som finnes i kometer samt forholdstallene som er funnet i yngre protostjernesystemer.

Disse resultatene fyller ut gapet i vannstien og danner en direkte kobling mellom vann i det interstellare mediet, protostjerner, proto-planetariske skiver og planeter som Jorden gjennom prosessen med arv, ikke kjemisk tilbakestilling.

De nye resultatene viser definitivt at en betydelig del av vannet på jorden mest sannsynlig ble dannet for milliarder av år siden, før solen i det hele tatt hadde antent. Å bekrefte denne manglende delen av vannets vei gjennom universet gir ledetråder til opprinnelsen til vannet på jorden. Forskere har tidligere antydet at mest vann på jorden kom fra kometer som påvirker planeten. Det faktum at jorden har mindre halvtungt vann enn kometer og V883 Ori, men mer enn kjemisk tilbakestillingsteori ville produsere, betyr at vann på jorden sannsynligvis kom fra mer enn én kilde.

Denne artikkelen er publisert fra Den Conversation under en Creative Commons-lisens. Les opprinnelige artikkelen.

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

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• Platoblokkkjede. Web3 Metaverse Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• kilde: https://singularityhub.com/2023/03/17/a-goldilocks-star-reveals-a-previously-hidden-step-in-how-water-gets-to-earth/