Ngôi sao 'Goldilocks' tiết lộ một bước ẩn giấu trước đây về cách nước đến trái đất

Nếu không có nước, sự sống trên Trái đất không thể tồn tại như ngày nay. Hiểu được lịch sử của nước trong vũ trụ là rất quan trọng để hiểu các hành tinh như Trái đất hình thành như thế nào.

Các nhà thiên văn học thường gọi hành trình mà nước đi từ khi hình thành dưới dạng các phân tử riêng lẻ trong không gian đến nơi nghỉ ngơi của nó trên bề mặt các hành tinh là “dấu vết của nước”. Con đường bắt đầu trong môi trường giữa các vì sao với khí hydro và oxy và kết thúc với các đại dương và chỏm băng trên các hành tinh, với các mặt trăng băng giá quay quanh những người khổng lồ khí và sao chổi băng giá và tiểu hành tinh quay quanh các ngôi sao. Điểm đầu và điểm cuối của con đường mòn này rất dễ nhìn thấy, nhưng điểm giữa vẫn còn là một bí ẩn.

tôi là một nhà thiên văn học người nghiên cứu sự hình thành của các ngôi sao và hành tinh bằng cách sử dụng các quan sát từ kính viễn vọng vô tuyến và hồng ngoại. Trong một bài báo mới, các đồng nghiệp của tôi và tôi mô tả phép đo đầu tiên từng được thực hiện về phần giữa bị che khuất trước đó của vệt nước và ý nghĩa của những phát hiện này đối với nước được tìm thấy trên các hành tinh như Trái đất.

Các hành tinh được hình thành như thế nào

Sự hình thành của các ngôi sao và hành tinh gắn liền với nhau. Cái gọi là “sự trống rỗng của không gian”—hay môi trường giữa các vì sao—trên thực tế có chứa một lượng lớn khí hydro, lượng khí khác nhỏ hơn, và hạt bụi. Do trọng lực, một số túi của môi trường giữa các vì sao sẽ trở thành đậm đặc hơn khi các hạt hút nhau và tạo thành mây. Khi mật độ của những đám mây này tăng lên, các nguyên tử bắt đầu va chạm thường xuyên hơn và hình thành các phân tử lớn hơn, bao gồm cả nước tạo thành trên các hạt bụi và phủ bụi trong băng.

Các ngôi sao bắt đầu hình thành khi các phần của đám mây đang sụp đổ đạt đến một mật độ nhất định và đủ nóng để bắt đầu hợp nhất các nguyên tử hydro lại với nhau. Vì ban đầu chỉ một phần nhỏ của khí sụp đổ thành tiền sao mới sinh, phần còn lại của khí và bụi tạo thành một đĩa phẳng của vật liệu xoay quanh ngôi sao mới sinh đang quay. Các nhà thiên văn gọi đây là đĩa tiền hành tinh.

Khi các hạt bụi băng giá va chạm với nhau bên trong đĩa tiền hành tinh, chúng bắt đầu co cụm lại với nhau. Quá trình tiếp tục và cuối cùng hình thành các vật thể quen thuộc của không gian như tiểu hành tinh, sao chổi, hành tinh đá như Trái đất và các hành tinh khí khổng lồ như Sao Mộc hoặc Sao Thổ.

Hai giả thuyết về nguồn nước

Có hai con đường tiềm năng mà nước trong hệ mặt trời của chúng ta có thể đã đi. Đầu tiên, được gọi là di truyền hóa học, là khi các phân tử nước ban đầu được hình thành trong môi trường giữa các vì sao được chuyển đến các đĩa tiền hành tinh và tất cả các vật thể mà chúng tạo ra mà không trải qua bất kỳ thay đổi nào.

Lý thuyết thứ hai được gọi là thiết lập lại hóa chất. Trong quá trình này, sức nóng từ sự hình thành của đĩa tiền hành tinh và ngôi sao mới sinh sẽ phá vỡ các phân tử nước, sau đó các phân tử này sẽ tái tạo sau khi đĩa tiền hành tinh nguội đi.

Để kiểm tra những lý thuyết này, các nhà thiên văn học như tôi xem xét tỷ lệ giữa nước bình thường và một loại nước đặc biệt gọi là nước bán nặng. Nước thường được tạo thành từ hai nguyên tử hydro và một nguyên tử oxy. Nước bán nặng được tạo thành từ một nguyên tử oxy, một nguyên tử hydro và một nguyên tử deuterium—một đồng vị nặng hơn của hydro có thêm một neutron trong hạt nhân của nó.

Tỷ lệ giữa nước bán nặng và nước bình thường là một tia sáng dẫn đường trên đường đi của nước—việc đo lường tỷ lệ này có thể cho các nhà thiên văn học biết rất nhiều về nguồn gốc của nước. mô hình hóa học và thí nghiệm đã chỉ ra rằng nước bán nặng hơn khoảng 1,000 lần sẽ được tạo ra trong môi trường lạnh giữa các vì sao hơn trong điều kiện của một đĩa tiền hành tinh.

Sự khác biệt này có nghĩa là bằng cách đo tỷ lệ nước bán nặng so với nước bình thường ở một nơi, các nhà thiên văn học có thể biết liệu nước đó có trải qua quá trình kế thừa hóa học hay con đường thiết lập lại hóa học hay không.

Đo nước trong quá trình hình thành hành tinh

Sao chổi có tỷ lệ nước bán nặng so với nước bình thường gần như hoàn toàn phù hợp với di truyền hóa học, có nghĩa là nước không trải qua một sự thay đổi hóa học lớn nào kể từ lần đầu tiên nó được tạo ra trong không gian. Tỷ lệ của Trái đất nằm ở đâu đó giữa tỷ lệ kế thừa và thiết lập lại, khiến cho nước đến từ đâu không rõ ràng.

Để thực sự xác định nguồn nước trên các hành tinh đến từ đâu, các nhà thiên văn học cần tìm một đĩa tiền hành tinh goldilocks—một đĩa có nhiệt độ và kích thước phù hợp để cho phép quan sát nước. Làm như vậy có tỏ ra vô cùng khó khăn. Có thể phát hiện nước bán nặng và nước bình thường khi nước là chất khí; thật không may cho các nhà thiên văn học, phần lớn các đĩa nguyên sinh thực vật rất lạnh và chứa chủ yếu là băng, và nó gần như không thể đo tỷ lệ nước từ băng ở khoảng cách giữa các vì sao.

Một bước đột phá đã đến vào năm 2016, khi tôi và các đồng nghiệp đang nghiên cứu các đĩa tiền hành tinh xung quanh một loại sao trẻ hiếm có tên là sao FU Orionis. Hầu hết các ngôi sao trẻ tiêu thụ vật chất từ ​​các đĩa tiền hành tinh xung quanh chúng. Các ngôi sao FU Orionis là duy nhất vì chúng tiêu thụ vật chất nhanh hơn khoảng 100 lần so với các ngôi sao trẻ điển hình và kết quả là, phát ra năng lượng gấp hàng trăm lần. Do sản lượng năng lượng cao hơn này, các đĩa tiền hành tinh xung quanh các ngôi sao FU Orionis được nung nóng đến nhiệt độ cao hơn nhiều, biến băng thành hơi nước thoát ra khoảng cách lớn từ ngôi sao.

Sử dụng Mảng milimet / milimet lớn Atacama, một kính viễn vọng vô tuyến cực mạnh ở miền bắc Chile, chúng tôi đã phát hiện ra một đĩa tiền hành tinh lớn, ấm áp xung quanh ngôi sao trẻ giống mặt trời V883 Ori, cách Trái đất khoảng 1,300 năm ánh sáng trong chòm sao Orion.

V883 Ori phát ra năng lượng gấp 200 lần so với mặt trời và tôi cùng các đồng nghiệp nhận ra rằng nó là một ứng cử viên lý tưởng để quan sát tỷ lệ nước bán nặng so với nước thông thường.

Hoàn thành Đường mòn Nước

Vào năm 2021, Mảng milimet/hạ milimet Atacama đã thực hiện các phép đo của V883 Ori trong sáu giờ. Dữ liệu tiết lộ một chữ ký mạnh mẽ của nước bán nặng và bình thường đến từ đĩa tiền hành tinh của V883 Ori. Chúng tôi đã đo tỷ lệ nước bán nặng so với nước bình thường và thấy rằng tỷ lệ này rất tương tự như tỷ lệ được tìm thấy trong sao chổi cũng như các tỷ lệ được tìm thấy trong các hệ thống tiền sao trẻ hơn.

Những kết quả này lấp đầy khoảng trống của vệt nước tạo nên mối liên kết trực tiếp giữa nước trong môi trường giữa các vì sao, các tiền sao, đĩa tiền hành tinh và các hành tinh như Trái đất thông qua quá trình kế thừa chứ không phải thiết lập lại hóa học.

Các kết quả mới cho thấy rõ ràng rằng một phần đáng kể nước trên Trái đất rất có thể đã hình thành từ hàng tỷ năm trước, trước cả khi mặt trời bắt đầu bốc cháy. Việc xác nhận đường đi của nước trong vũ trụ bị thiếu này sẽ cung cấp manh mối về nguồn gốc của nước trên Trái đất. Các nhà khoa học trước đây đã gợi ý rằng hầu hết nước trên Trái đất đến từ sao chổi tác động đến hành tinh. Thực tế là Trái đất có ít nước bán nặng hơn so với sao chổi và V883 Ori, nhưng nhiều hơn lý thuyết thiết lập lại hóa học sẽ tạo ra, có nghĩa là nước trên Trái đất có thể đến từ nhiều nguồn.

Bài viết này được tái bản từ Conversation theo giấy phép Creative Commons. Đọc ban đầu bài viết.

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

• Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Khuếch đại kiến ​​thức. Truy cập Tại đây.
• nguồn: https://singularityhub.com/2023/03/17/a-goldilocks-star-reveals-a-previously-hidden-step-in-how-water-gets-to-earth/