Gwiazda „Złotowłosa” ujawnia wcześniej ukryty krok w sposobie, w jaki woda dostaje się na Ziemię

Bez wody życie na Ziemi nie mogłoby istnieć tak jak dzisiaj. Zrozumienie historii wody we wszechświecie ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia, w jaki sposób powstały planety takie jak Ziemia.

Astronomowie zazwyczaj określają drogę, jaką woda pokonuje od momentu jej powstania jako pojedynczych cząsteczek w kosmosie do miejsca spoczynku na powierzchni planet, jako „ścieżkę wodną”. Szlak rozpoczyna się w ośrodku międzygwiazdowym z gazowym wodorem i tlenem, a kończy na oceanach i czapach lodowych na planetach, z lodowymi księżycami krążącymi wokół gazowych olbrzymów oraz lodowymi kometami i asteroidami krążącymi wokół gwiazd. Początki i końce tego szlaku są łatwe do zauważenia, ale środek pozostaje tajemnicą.

jestem astronomem który bada powstawanie gwiazd i planet za pomocą obserwacji z teleskopów radiowych i na podczerwień. W nowym artykule moi koledzy i ja opisujemy wykonane pierwsze pomiary owej poprzednio ukrytej środkowej części szlaku wodnego i co te odkrycia oznaczają dla wody znalezionej na planetach takich jak Ziemia.

Jak powstają planety

Powstawanie gwiazd i planet jest ze sobą powiązane. Tak zwana „pustka przestrzeni” – lub ośrodek międzygwiezdny – w rzeczywistości zawiera duże ilości gazowego wodoru, mniejsze ilości innych gazów i ziarenka kurzu. Z powodu grawitacji niektóre kieszenie ośrodka międzygwiazdowego staną się gęstsze, ponieważ cząstki przyciągają się nawzajem i tworzą chmury. Wraz ze wzrostem gęstości tych chmur atomy zaczynają zderzać się coraz częściej tworzą większe cząsteczki, w tym woda, która się tworzy na ziarnach pyłu i pokrywa pył lodem.

Gwiazdy zaczynają się formować, gdy części zapadającego się obłoku osiągają określoną gęstość i nagrzewają się na tyle, aby rozpocząć łączenie atomów wodoru. Ponieważ tylko niewielka część gazu początkowo zapada się w nowonarodzoną protogwiazdę, reszta gazu i pyłu tworzy spłaszczony dysk materiału krążących wokół wirującej, nowonarodzonej gwiazdy. Astronomowie nazywają to dyskiem protoplanetarnym.

Gdy cząsteczki lodowego pyłu zderzają się ze sobą wewnątrz dysku protoplanetarnego, zaczynają się zlepiać. Proces ten trwa i ostatecznie tworzy znane obiekty kosmiczne, takie jak asteroidy, komety, skaliste planety, takie jak Ziemia i gazowe olbrzymy, takie jak Jowisz czy Saturn.

Dwie teorie źródła wody

Istnieją dwie potencjalne ścieżki, którymi mogła podążać woda w naszym Układzie Słonecznym. Pierwszy, tzw dziedziczenie chemiczne, ma miejsce, gdy cząsteczki wody pierwotnie utworzone w ośrodku międzygwiazdowym są dostarczane do dysków protoplanetarnych i wszystkich tworzonych przez nie ciał bez przechodzenia przez jakiekolwiek zmiany.

Druga teoria to tzw reset chemiczny. W tym procesie ciepło powstające podczas formowania się dysku protoplanetarnego i nowonarodzonej gwiazdy rozbija cząsteczki wody, które następnie odnawiają się, gdy dysk protoplanetarny ostygnie.

Aby przetestować te teorie, astronomowie tacy jak ja przyglądają się stosunkowi między normalną wodą a specjalnym rodzajem wody zwanym wodą półciężką. Woda normalnie składa się z dwóch atomów wodoru i jednego atomu tlenu. Półciężka woda składa się z jednego atomu tlenu, jednego atomu wodoru i jednego atomu deuteru — cięższego izotopu wodoru z dodatkowym neutronem w jądrze.

Stosunek wody półciężkiej do normalnej jest drogowskazem na szlaku wodnym – pomiar stosunku może powiedzieć astronomom wiele o źródle wody. Modele chemiczne i eksperymenty wykazały, że około 1,000 razy więcej półciężkiej wody będzie produkowane w zimnym ośrodku międzygwiazdowym niż w warunkach dysku protoplanetarnego.

Ta różnica oznacza, że ​​mierząc stosunek wody półciężkiej do normalnej w danym miejscu, astronomowie mogą stwierdzić, czy ta woda przeszła ścieżkę dziedziczenia chemicznego, czy chemicznego resetu.

Pomiar wody podczas formowania się planety

Komety mają stosunek wody półciężkiej do normalnej prawie idealnie zgodny z dziedziczenie chemiczne, co oznacza, że ​​woda nie przeszła większych zmian chemicznych od czasu jej powstania w kosmosie. Współczynnik Ziemi znajduje się gdzieś pomiędzy współczynnikiem dziedziczenia a współczynnikiem resetowania, przez co nie jest jasne, skąd pochodzi woda.

Aby naprawdę określić, skąd pochodzi woda na planetach, astronomowie musieli znaleźć protoplanetarny dysk złotowłosy — taki, który ma odpowiednią temperaturę i rozmiar, aby umożliwić obserwacje wody. Robienie tego ma okazał się niesamowicie trudny. Możliwe jest wykrycie wody półciężkiej i normalnej, gdy woda jest gazem; niestety dla astronomów ogromna większość dysków protoplanetarnych jest bardzo zimna i zawierają głównie lód, i to prawie niemożliwe do zmierzenia proporcji wody z lodu w odległościach międzygwiezdnych.

Przełom nastąpił w 2016 roku, kiedy wraz z kolegami badaliśmy dyski protoplanetarne wokół rzadkiego typu młodej gwiazdy zwanej gwiazdami FU Orionis. Większość młodych gwiazd pochłania materię z otaczających je dysków protoplanetarnych. Gwiazdy FU Orionis są wyjątkowe, ponieważ zużywają materię około 100 razy szybciej niż typowe młode gwiazdy, w wyniku czego emitować setki razy więcej energii. Z powodu tej wyższej produkcji energii, dyski protoplanetarne wokół gwiazd FU Orionis są podgrzewane do znacznie wyższych temperatur, zamieniając lód w parę wodną na duże odległości od gwiazdy.

Korzystanie z Atacama Large Millimeter / submillimeter Array, potężny radioteleskop w północnym Chile, odkryliśmy duży, ciepły dysk protoplanetarny wokół podobnej do Słońca młodej gwiazdy V883 Ori, około 1,300 lat świetlnych od Ziemi w gwiazdozbiorze Oriona.

V883 Ori emituje 200 razy więcej energii niż słońce, a moi koledzy i ja uznaliśmy, że jest idealnym kandydatem do obserwacji stosunku wody półciężkiej do normalnej.

Uzupełnienie Szlaku Wodnego

W 2021 roku Atacama Large Millimeter/submillimeter Array wykonywała pomiary V883 Ori przez sześć godzin. Dane ujawniły a mocna sygnatura wody półciężkiej i normalnej pochodzi z dysku protoplanetarnego V883 Ori. Zmierzyliśmy stosunek wody półciężkiej do normalnej i stwierdziliśmy, że stosunek ten był bardzo wysoki podobne do stosunków występujących w kometach jak również znalezione proporcje w młodszych systemach protogwiazd.

Wyniki te wypełniają lukę w szlaku wodnym, tworząc bezpośrednie połączenie między wodą w ośrodku międzygwiezdnym, protogwiazdami, dyskami protoplanetarnymi i planetami takimi jak Ziemia poprzez proces dziedziczenia, a nie chemicznego resetu.

Nowe wyniki pokazują definitywnie, że znaczna część wody na Ziemi najprawdopodobniej uformowała się miliardy lat temu, zanim jeszcze słońce się zapaliło. Potwierdzenie tego brakującego fragmentu ścieżki wody we wszechświecie dostarcza wskazówek co do pochodzenia wody na Ziemi. Naukowcy sugerowali wcześniej, że większość wody na Ziemi pochodzi z komet uderzających w planetę. Fakt, że Ziemia ma mniej półciężkiej wody niż komety i V883 Ori, ale więcej niż wytworzyłaby teoria resetu chemicznego, oznacza, że ​​woda na Ziemi prawdopodobnie pochodziła z więcej niż jednego źródła.

Artykuł został opublikowany ponownie Konwersacje na licencji Creative Commons. Przeczytać oryginalny artykuł.

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

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• Platoblockchain. Web3 Inteligencja Metaverse. Wzmocniona wiedza. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://singularityhub.com/2023/03/17/a-goldilocks-star-reveals-a-previously-hidden-step-in-how-water-gets-to-earth/