Zvezda 'Zlatolaska' razkriva prej skrit korak v tem, kako voda pride na Zemljo

Brez vode življenje na Zemlji ne bi moglo obstajati, kot je danes. Razumevanje zgodovine vode v vesolju je ključnega pomena za razumevanje, kako nastanejo planeti, kot je Zemlja.

Astronomi običajno imenujejo "vodna sled" pot vode od njenega nastanka kot posamezne molekule v vesolju do počivališča na površini planetov. Pot se začne v medzvezdnem mediju z vodikom in kisikom in konča z oceani in ledenimi kapami na planetih, z ledenimi lunami, ki krožijo okoli plinastih velikanov, ter ledenimi kometi in asteroidi, ki krožijo okoli zvezd. Začetki in konci te poti so lahko vidni, sredina pa je ostala skrivnost.

Jaz sem astronom ki proučuje nastanek zvezd in planetov z uporabo opazovanj iz radijskih in infrardečih teleskopov. V novem prispevku s kolegi opisujemo prve meritve tega prej skritega srednjega dela vodne poti in kaj te ugotovitve pomenijo za vodo, ki jo najdemo na planetih, kot je Zemlja.

Kako nastanejo planeti

Nastajanje zvezd in planetov je prepleteno. Tako imenovana "praznina vesolja" - ali medzvezdni medij - dejansko vsebuje velike količine plinastega vodika, manjše količine drugih plinov ter zrnca prahu. Zaradi gravitacije bodo postali nekateri žepi medzvezdnega medija gostejši, ker se delci privlačijo in tvorijo oblake. Ko se gostota teh oblakov poveča, začnejo atomi pogosteje trkati in tvorijo večje molekule, vključno z vodo, ki tvori na zrnca prahu in prah prekrije v led.

Zvezde začnejo nastajati, ko deli oblaka, ki se seseda, dosežejo določeno gostoto in se dovolj segrejejo, da začnejo spajati vodikove atome. Ker se le majhen del plina sprva sesede v novorojeno protozvezdo, preostali plin in prah tvori sploščen disk materiala kroži okoli vrteče se novorojene zvezde. Astronomi temu pravijo protoplanetarni disk.

Ko ledeni prašni delci trčijo drug ob drugega znotraj protoplanetarnega diska, se začnejo združevati. Proces se nadaljuje in sčasoma oblikuje znane predmete vesolja, kot so asteroidi, kometi, kamniti planeti, kot je Zemlja, in plinasti velikani, kot sta Jupiter ali Saturn.

Dve teoriji za vir vode

Voda v našem sončnem sistemu bi lahko ubrala dve možni poti. Prvi, imenovani kemično dedovanje, je takrat, ko se molekule vode, ki so bile prvotno oblikovane v medzvezdnem mediju, dostavijo protoplanetarnim diskom in vsem telesom, ki jih ustvarijo, ne da bi se skozi kakršne koli spremembe.

Druga teorija se imenuje kemična ponastavitev. V tem procesu toplota iz nastanka proto-planetarnega diska in novorojene zvezde razbije molekule vode, ki se nato preoblikujejo, ko se proto-planetarni disk ohladi.

Da bi preverili te teorije, astronomi, kot sem jaz, preučujejo razmerje med običajno vodo in posebno vrsto vode, imenovano poltežka voda. Voda je običajno sestavljena iz dveh atomov vodika in enega atoma kisika. Poltežka voda je sestavljena iz enega atoma kisika, enega atoma vodika in enega atoma devterija – težjega izotopa vodika z dodatnim nevtronom v svojem jedru.

Razmerje med poltežko in običajno vodo je vodilo na vodni poti – merjenje razmerja lahko astronomom pove veliko o viru vode. Kemijski modeli in Poskusi so pokazale, da bo v hladnem medzvezdnem mediju proizvedeno približno 1,000-krat več poltežke vode kot v pogojih protoplanetarnega diska.

Ta razlika pomeni, da lahko astronomi z merjenjem razmerja med poltežko in običajno vodo na nekem mestu ugotovijo, ali je ta voda šla skozi kemično dediščino ali kemično ponastavitev.

Merjenje vode med nastankom planeta

Kometi imajo razmerje med poltežko in običajno vodo skoraj popolnoma v skladu z kemično dedovanje, kar pomeni, da voda ni bila podvržena večjim kemičnim spremembam, odkar je bila prvič ustvarjena v vesolju. Zemljino razmerje je nekje vmes med razmerjem dedovanja in ponastavitve, zaradi česar ni jasno, od kod prihaja voda.

Da bi resnično ugotovili, od kod izvira voda na planetih, so morali astronomi najti protoplanetarni disk Zlatolaska – takšnega, ki ima ravno pravo temperaturo in velikost, da omogoča opazovanje vode. To počne se je izkazalo za neverjetno težko. Če je voda plin, je mogoče zaznati poltežko in normalno vodo; na žalost astronomov je velika večina protoplantarnih diskov zelo hladnih in vsebujejo večinoma led, in je skoraj nemogoče izmeriti vodna razmerja iz ledu na medzvezdnih razdaljah.

Preboj je prišel leta 2016, ko smo s kolegi preučevali protoplanetarne diske okoli redke vrste mlade zvezde, imenovane FU Orionisove zvezde. Večina mladih zvezd uživa snov iz protoplanetarnih diskov okoli njih. FU Orionisove zvezde so edinstvene, ker porabljajo snov približno 100-krat hitreje kot tipične mlade zvezde in posledično oddaja stokrat več energije. Zaradi tega višjega izhoda energije se protoplanetarni diski okoli zvezd FU Orionis segrejejo na veliko višje temperature, zaradi česar se led spremeni v vodno paro na velike razdalje od zvezde.

Uporaba Veliko polje milimetrov / submilimetrov Atacama, močan radijski teleskop v severnem Čilu, smo odkrili velik, topel protoplanetarni disk okoli soncu podobne mlade zvezde V883 Ori, približno 1,300 svetlobnih let od Zemlje v ozvezdju Orion.

V883 Ori oddaja 200-krat več energije kot sonce in s kolegi smo ugotovili, da je idealen kandidat za opazovanje razmerja med poltežko in normalno vodo.

Dokončanje vodne poti

Leta 2021 je Atacama Large Millimeter/submilimeter Array šest ur izvajala meritve V883 Ori. Podatki so razkrili a močan podpis poltežke in normalne vode prihaja iz V883 Orijevega protoplanetarnega diska. Izmerili smo razmerje med poltežko in običajno vodo in ugotovili, da je razmerje zelo podobna razmerjem v kometih kot tudi ugotovljena razmerja v mlajših protozvezdnih sistemih.

Ti rezultati zapolnjujejo vrzel v vodni sledi, ki ustvarja neposredno povezavo med vodo v medzvezdnem mediju, protozvezdami, protoplanetarnimi diski in planeti, kot je Zemlja, skozi proces dedovanja, ne kemične ponastavitve.

Novi rezultati dokončno kažejo, da je znaten del vode na Zemlji najverjetneje nastal pred milijardami let, preden je sonce sploh zagorelo. Potrditev tega manjkajočega dela poti vode skozi vesolje ponuja namige o izvoru vode na Zemlji. Znanstveniki so že prej predlagali, da je večina vode na Zemlji izvirajo iz kometov, ki trčijo na planet. Dejstvo, da ima Zemlja manj poltežke vode kot kometi in V883 Ori, vendar več, kot bi proizvedla teorija kemične ponastavitve, pomeni, da je voda na Zemlji verjetno prišla iz več kot enega vira.

Ta članek je ponovno objavljen Pogovor pod licenco Creative Commons. Preberi Originalni članek.

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

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• vir: https://singularityhub.com/2023/03/17/a-goldilocks-star-reveals-a-previously-hidden-step-in-how-water-gets-to-earth/