Uma estrela 'Goldilocks' revela um passo anteriormente oculto em como a água chega à Terra

Sem água, a vida na Terra não poderia existir como existe hoje. Compreender a história da água no universo é fundamental para entender como planetas como a Terra surgiram.

Os astrônomos normalmente se referem à jornada que a água faz desde sua formação como moléculas individuais no espaço até seu local de repouso nas superfícies dos planetas como “a trilha da água”. A trilha começa no meio interestelar com hidrogênio e gás oxigênio e termina nos oceanos e calotas polares dos planetas, com luas geladas orbitando gigantes gasosos e cometas e asteróides gelados que orbitam estrelas. O começo e o fim dessa trilha são fáceis de ver, mas o meio permanece um mistério.

eu sou um astrônomo que estuda a formação de estrelas e planetas usando observações de rádio e telescópios infravermelhos. Em um novo artigo, meus colegas e eu descrevemos o primeiras medições já feitas desta parte do meio anteriormente escondida da trilha de água e o que essas descobertas significam para a água encontrada em planetas como a Terra.

Como os planetas são formados

A formação de estrelas e planetas está interligada. O chamado “vazio do espaço” – ou o meio interestelar – na verdade contém grandes quantidades de hidrogênio gasoso, quantidades menores de outros gases, e grãos de poeira. Devido à gravidade, alguns bolsões do meio interestelar se tornarão mais denso à medida que as partículas se atraem e formar nuvens. À medida que a densidade dessas nuvens aumenta, os átomos começam a colidir com mais frequência e formar moléculas maiores, incluindo a água que forma em grãos de poeira e cobre a poeira no gelo.

As estrelas começam a se formar quando partes da nuvem em colapso atingem uma certa densidade e aquecem o suficiente para começar a fundir os átomos de hidrogênio. Como apenas uma pequena fração do gás inicialmente colapsa na protoestrela recém-nascida, o restante do gás e da poeira forma um disco achatado de material circulando em torno da estrela recém-nascida giratória. Os astrônomos chamam isso de disco protoplanetário.

À medida que as partículas de poeira gelada colidem umas com as outras dentro de um disco protoplanetário, eles começam a se agrupar. O processo continua e eventualmente forma os objetos familiares do espaço como asteróides, cometas, planetas rochosos como a Terra e gigantes gasosos como Júpiter ou Saturno.

Duas teorias para a fonte de água

Existem dois caminhos potenciais que a água em nosso sistema solar poderia ter seguido. A primeira, chamada herança química, é quando as moléculas de água originalmente formadas no meio interestelar são entregues aos discos protoplanetários e a todos os corpos que eles criam sem sofrer nenhuma alteração.

A segunda teoria é chamada reinicialização química. Nesse processo, o calor da formação do disco protoplanetário e da estrela recém-nascida quebra as moléculas de água, que então se recompõem quando o disco protoplanetário esfria.

Para testar essas teorias, astrônomos como eu analisam a proporção entre a água normal e um tipo especial de água chamada água semipesada. A água é normalmente feita de dois átomos de hidrogênio e um átomo de oxigênio. A água semipesada é feita de um átomo de oxigênio, um átomo de hidrogênio e um átomo de deutério – um isótopo mais pesado de hidrogênio com um nêutron extra em seu núcleo.

A proporção de água semipesada para normal é uma luz guia na trilha da água – medir a proporção pode dizer muito aos astrônomos sobre a fonte da água. modelos químicos e experimentos mostraram que cerca de 1,000 vezes mais água semi-pesada será produzida no meio interestelar frio do que nas condições de um disco protoplanetário.

Essa diferença significa que, ao medir a proporção de água semipesada para normal em um local, os astrônomos podem dizer se essa água passou pela herança química ou pela via de redefinição química.

Medindo a água durante a formação de um planeta

Os cometas têm uma proporção de água semi-pesada para normal quase perfeitamente alinhada com herança química, o que significa que a água não sofreu uma grande mudança química desde que foi criada no espaço. A proporção da Terra fica em algum lugar entre a herança e a proporção de redefinição, deixando claro de onde veio a água.

Para realmente determinar de onde vem a água nos planetas, os astrônomos precisavam encontrar um disco protoplanetário de cachinhos dourados – um que tivesse a temperatura e o tamanho certos para permitir observações de água. Fazer isso tem provou ser incrivelmente difícil. É possível detectar água semipesada e normal quando a água é um gás; infelizmente para os astrônomos, a grande maioria dos discos proto-plantares são muito frios e contém principalmente gelo, e é quase impossível medir proporções de água do gelo a distâncias interestelares.

Um avanço veio em 2016, quando meus colegas e eu estávamos estudando discos protoplanetários em torno de um tipo raro de jovem estrela chamado estrelas FU Orionis. A maioria das estrelas jovens consome matéria dos discos protoplanetários ao seu redor. As estrelas FU Orionis são únicas porque consomem matéria cerca de 100 vezes mais rápido do que as estrelas jovens típicas e, como resultado, emitem centenas de vezes mais energia. Devido a esta maior produção de energia, os discos protoplanetários em torno das estrelas FU Orionis são aquecidos a temperaturas muito mais altas, transformando o gelo em vapor de água a grandes distâncias da estrela.

Com o Atacama Large Millimeter / submillimeter Array, um poderoso radiotelescópio no norte do Chile, nós descobrimos um disco protoplanetário grande e quente em torno da jovem estrela V883 Ori, semelhante ao Sol, a cerca de 1,300 anos-luz da Terra, na constelação de Orion.

O V883 Ori emite 200 vezes mais energia do que o sol, e meus colegas e eu reconhecemos que era um candidato ideal para observar a proporção de água semipesada para normal.

Completando a Trilha das Águas

Em 2021, o Atacama Large Millimeter/submillimeter Array fez medições de V883 Ori por seis horas. Os dados revelaram um forte assinatura de água semi-pesada e normal vindo do disco protoplanetário de V883 Ori. Medimos a proporção de água semipesada para água normal e descobrimos que a proporção era muito semelhantes às proporções encontradas em cometas bem como as proporções encontradas em sistemas protoestrelas mais jovens.

Esses resultados preenchem a lacuna da trilha de água, forjando uma ligação direta entre a água no meio interestelar, protoestrelas, discos protoplanetários e planetas como a Terra por meio do processo de herança, não de redefinição química.

Os novos resultados mostram definitivamente que uma porção substancial da água na Terra provavelmente se formou bilhões de anos atrás, antes mesmo de o sol ter acendido. A confirmação desse pedaço perdido do caminho da água através do universo oferece pistas sobre as origens da água na Terra. Os cientistas sugeriram anteriormente que a maior parte da água na Terra veio de cometas impactando o planeta. O fato de a Terra ter menos água semipesada do que os cometas e o V883 Ori, mas mais do que a teoria da redefinição química produziria, significa que a água na Terra provavelmente veio de mais de uma fonte.

Este artigo foi republicado a partir de A Conversação sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.

Crédito de imagem: 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/