En "Goldilocks"-stjärna avslöjar ett tidigare dolt steg i hur vatten kommer till jorden

Utan vatten skulle livet på jorden inte kunna existera som det gör idag. Att förstå historien om vattnet i universum är avgörande för att förstå hur planeter som jorden kommer till.

Astronomer hänvisar vanligtvis till den resa som vattnet tar från dess bildande som individuella molekyler i rymden till dess viloplats på planeternas yta som "vattenstigen." Leden börjar i det interstellära mediet med väte och syrgas och slutar med hav och iskappor på planeter, med isiga månar som kretsar kring gasjättar och isiga kometer och asteroider som kretsar runt stjärnor. Början och slutet av denna vandring är lätt att se, men mitten har förblivit ett mysterium.

Jag är en astronom som studerar bildandet av stjärnor och planeter med hjälp av observationer från radio- och infraröda teleskop. I en ny tidning beskriver jag och mina kollegor första mätningarna som någonsin gjorts av denna tidigare gömda mittdel av vattenstigen och vad dessa fynd betyder för vattnet som finns på planeter som jorden.

Hur planeter bildas

Bildandet av stjärnor och planeter är sammanflätade. Den så kallade "rymdens tomhet" - eller det interstellära mediet - innehåller faktiskt stora mängder gasformigt väte, mindre mängder av andra gaser, och dammkorn. På grund av gravitationen kommer vissa fickor i det interstellära mediet att bli tätare när partiklar attraherar varandra och bildar moln. När tätheten av dessa moln ökar, börjar atomer att kollidera oftare och bildar större molekylerinklusive vatten som bildas på dammkorn och täcker dammet i is.

Stjärnor börjar bildas när delar av det kollapsande molnet når en viss densitet och värms upp tillräckligt för att börja smälta samman väteatomer. Eftersom endast en liten del av gasen först kollapsar in i den nyfödda protostjärnan, kommer resten av gasen och dammet bildar en tillplattad skiva av material kretsar runt den snurrande, nyfödda stjärnan. Astronomer kallar detta en proto-planetarisk skiva.

När isiga dammpartiklar kolliderar med varandra inuti en proto-planetarisk skiva, de börjar klumpa ihop sig. Processen fortsätter och bildar så småningom de välbekanta objekten i rymden som asteroider, kometer, steniga planeter som jorden och gasjättar som Jupiter eller Saturnus.

Två teorier för vattenkällan

Det finns två potentiella vägar som vatten i vårt solsystem kunde ha tagit. Den första, kallad kemiskt arv, är när de vattenmolekyler som ursprungligen bildades i det interstellära mediet levereras till protoplanetära skivor och alla kroppar de skapar utan att gå igenom några förändringar.

Den andra teorin kallas kemisk återställning. I denna process bryter värmen från bildandet av protoplanetskivan och den nyfödda stjärnan isär vattenmolekyler, som sedan reformeras när protoplanetskivan svalnar.

För att testa dessa teorier tittar astronomer som jag på förhållandet mellan normalt vatten och en speciell sorts vatten som kallas halvtungt vatten. Vatten består normalt av två väteatomer och en syreatom. Halvtungt vatten består av en syreatom, en väteatom och en deuteriumatom - en tyngre isotop av väte med en extra neutron i kärnan.

Förhållandet mellan halvtungt och normalt vatten är en ledstjärna på vattenstigen – mätning av förhållandet kan berätta mycket för astronomerna om vattenkällan. Kemiska modeller och experiment har visat att cirka 1,000 XNUMX gånger mer halvtungt vatten kommer att produceras i det kalla interstellära mediet än under förhållandena för en protoplanetarisk skiva.

Denna skillnad innebär att genom att mäta förhållandet mellan halvtungt och normalt vatten på en plats kan astronomer avgöra om det vattnet gick igenom den kemiska nedärvningen eller den kemiska återställningsvägen.

Mätning av vatten under bildandet av en planet

Kometer har ett förhållande mellan halvtungt till normalt vatten nästan perfekt i linje med kemiskt arv, vilket betyder att vattnet inte har genomgått någon större kemisk förändring sedan det först skapades i rymden. Jordens förhållande ligger någonstans mellan arvs- och återställningsförhållandet, vilket gör det oklart var vattnet kom ifrån.

För att verkligen avgöra var vattnet på planeterna kommer ifrån behövde astronomer hitta en protoplanetskiva av guldlock - en som har precis rätt temperatur och storlek för att tillåta observationer av vatten. Att göra så har visade sig vara otroligt svårt. Det är möjligt att detektera halvtungt och normalt vatten när vatten är en gas; tyvärr för astronomer är de allra flesta proto-plantära skivor mycket kalla och innehåller mest is, och det är nästan omöjligt att mäta vattenförhållanden från is på interstellära avstånd.

Ett genombrott kom 2016, när jag och mina kollegor studerade protoplanetariska skivor runt en sällsynt typ av ung stjärna som kallas FU Orionis-stjärnor. De flesta unga stjärnor förbrukar materia från de protoplanetära skivorna runt dem. FU Orionis-stjärnor är unika eftersom de konsumerar materia cirka 100 gånger snabbare än typiska unga stjärnor och som ett resultat, avger hundratals gånger mer energi. På grund av denna högre energiproduktion värms de protoplanetära skivorna runt FU Orionis-stjärnor upp till mycket högre temperaturer, vilket förvandlar is till vattenånga ut till stora avstånd från stjärnan.

Använda Atacama Large Millimeter / submillimeter Array, ett kraftfullt radioteleskop i norra Chile, vi upptäckte en stor, varm proto-planetarisk skiva runt den sollika unga stjärnan V883 Ori, cirka 1,300 XNUMX ljusår från jorden i stjärnbilden Orion.

V883 Ori avger 200 gånger mer energi än solen, och jag och mina kollegor insåg att det var en idealisk kandidat för att observera förhållandet mellan halvtungt och normalt vatten.

Att slutföra Water Trail

År 2021 tog Atacama Large Millimeter/submillimeter Array mätningar av V883 Ori i sex timmar. Uppgifterna avslöjade en stark signatur av halvtungt och normalt vatten kommer från V883 Oris proto-planetariska skiva. Vi mätte förhållandet mellan halvtungt och normalt vatten och fann att förhållandet var mycket liknande förhållanden som finns i kometer samt de hittade förhållandena i yngre protostjärnsystem.

Dessa resultat fyller ut gapet i vattenvägen och skapar en direkt länk mellan vatten i det interstellära mediet, protostjärnor, proto-planetära skivor och planeter som jorden genom nedärvning, inte kemisk återställning.

De nya resultaten visar definitivt att en betydande del av vattnet på jorden troligen bildades för miljarder år sedan, innan solen ens hade antänts. Att bekräfta denna saknade bit av vattnets väg genom universum ger ledtrådar till vattnets ursprung på jorden. Forskare har tidigare föreslagit att det mesta vattnet på jorden kom från kometer som påverkade planeten. Det faktum att jorden har mindre halvtungt vatten än kometer och V883 Ori, men mer än kemisk återställningsteori skulle producera, betyder att vattnet på jorden troligen kom från mer än en källa.

Denna artikel publiceras från Avlyssningen under en Creative Commons licens. Läs ursprungliga artikeln.

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

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Källa: https://singularityhub.com/2023/03/17/a-goldilocks-star-reveals-a-previously-hidden-step-in-how-water-gets-to-earth/