Загадка того, откуда впервые появилась вода, десятилетиями ставила ученых в тупик. Но после прослеживания пути H2O через Вселенную к звезде, находящейся на расстоянии 1300 световых лет от нас, появились новые данные, которые могут пролить свет на эту тайну.
Группа ученых провела наблюдения за молодой звездой V883 Orionis, которая сегодня еще не до конца сформировалась. Этот космический объект имеет опоясывающий пропланетный диск, где еще должны будут сформироваться планеты. Звезда непрерывно растет, постепенно притягивая к себе частицы из диска, при этом происходят выбросы энергии, которые делают исследования крайне ценными.
Взгляд в прошлое
С такого расстояния невозможно определить, присутствует ли в диске лед и каково в нем соотношение обычной и тяжелой воды (об этом будет идти речь ниже). Но определить химический состав вещества можно исключительно по спектральным линиям в газообразном состоянии.
Вспышки звезды в процессе естественного приращивания массы испаряют водяной лед. Это позволяет взглянуть на протозвездный диск до того, как процессы образования затронут его вещество.
Это проливает свет еще на одно предположение: на Землю вода могла попасть с кометами и астероидами, частицами пыли в виде льда, что способствовало сцеплению и значительно ускоряло процесс формирования планет до того, как в силу вступило явление гравитации.
Старше Солнца
Новое исследование не только раскрыло потенциальное недостающее звено в том, как вода попала на Землю, но также позволило предположить, что H2O в нашей Солнечной системе на миллиарды лет старше самого Солнца.
Ученые объясняют, что могут представить путь H2O во Вселенной в виде следа. Ведущий автор исследования Джон Тобин, астроном из Национальной радиоастрономической обсерватории Национального научного фонда США, отмечает, что ученым известно: вода может попасть на ту или иную планету, например, в комете, но хотелось бы еще проследить этот путь до истоков, что позволило бы понять, откуда она берет начало своего пути во Вселенной.
В ходе исследования была обнаружена вода в газообразном состоянии, которая вращается в планетообразующем диске вокруг далекой звезды V883 Орионис. Эта позволяет проследить путь воды, которая попала на планеты, такие как наша.
Процесс образования звезд
Звезды образуются из плотных молекулярных облаков - пыли и газа, которые скапливаются в областях межзвездного пространства, известных как звездные питомники. Одно молекулярное облако, которое в основном содержит атомы водорода, может в тысячи раз превышать массу Солнца.
Элементы молекулярных облаков подвергаются турбулентному движению, когда газ и пыль перемещаются в течение длительного времени, при этом происходит нарушение структуры атомов и молекул, в результате чего в некоторых областях материи становится больше, чем в других.
И если в одной области собирается достаточно газа и пыли, происходит процесс разрушения под действием собственной гравитации. По мере того как происходит уплотнение, начинается медленный нагрев и расширение наружу, а скопления газа и пыли начинают вовлекаться в процесс. Когда область уплотнения составляет около 1 448 409 600 000 км в поперечнике, она становится предзвездным ядром и начинает процесс превращения в звезду.
Затем в течение следующих 50 000 лет размер предзвездного ядра сокращается до 148 059 648 000 км в поперечнике и становится внутренним ядром звезды. Избыток вещества выбрасывается к полюсам звезды и вокруг звезды возникает диск из газа и пыли, образуя протозвезду. Затем это вещество либо становится частью звезды, либо выбрасывается в более широкий диск, что приводит к образованию планет, лун, комет и астероидов.
Более тяжелая вода
Тобин и его команда использовали Atacama Large Millimeter Array - комплекс радиотелескопов в Чили, чтобы определить химические характеристики воды и ее путь от звездообразующего облака до планет. Как известно, вода обычно состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода. Однако команда ученых изучила ее более тяжелую версию, в которой один из атомов водорода заменен дейтерием — тяжелым изотопом водорода.
Эти данные и знание о том, что простая и тяжелая вода образуются в разных условиях, позволяют отследить, когда и где образовалась вода. Именно это соотношение ранее показало, что вода на некоторых кометах Солнечной системы похожа на воду на Земле, что указывает на то, что кометы могли принести жидкость на нашу планету.
Ранние исследования
Ранее ученые смогли проследить путешествие воды из молекулярных облаков к молодым звездам, а затем от комет к планетам, но до сих пор связь между молодыми звездами и кометами отсутствовала, и цепочка следования воды в нашу Солнечную систему была разорвана.
V883 Orionis стала недостающим звеном в этом случае. Состав воды в ее диске очень похож на состав воды в кометах в нашей собственной Солнечной системе.
Вода возрастом миллиарды лет
Чтобы определить связь между водой в протопланетном диске V883 Orionis и водой на Земле, команда ученых провела исследования, которые позволили установить, что жидкость остается относительно неизменной на каждом этапе формирования Солнечной системы: от протозвезды до протопланетного диска, а затем до кометы.
Это подтверждает идею о том, что вода в планетных системах образовалась миллиарды лет назад, еще до появления Солнца, оставаясь в межзвездном пространстве. После она была "унаследована" кометами, Землей, оставаясь при этом относительно неизменной.
Соавтор исследования Мерел вант Хофф, астроном из Мичиганского университета, добавляет: "Это означает, что вода в нашей Солнечной системе образовалась задолго до образования Солнца, планет и комет".
Воды больше, чем на Земле
Ученым было известно, что в межзвездной среде много воды в виде льда, а результаты новых исследований показывают, что эта вода попала в Солнечную систему во время ее формирования. С точки зрения ученых, этот факт является очень интересным, поскольку предполагает, что другие планетные системы тоже должны были получить большое количество воды.
Благодаря чувствительности телескопа обсерватории и его возможности различать мелкие детали, исследователи смогли обнаружить воду и определить ее состав на V883 Orionis, а также составить карту ее распределения по диску. Наблюдения позволили понять, что диск содержит по меньшей мере в 1200 раз больше воды, чем во всех океанах Земли.
Марго Лемкер, астроном из Лейденского университета и соавтор исследования, сказала: "Известно, что большая часть воды в межзвездной среде образуется в виде льда на поверхности крошечных пылинок в облаках. Когда эти облака разрушаются под действием собственной гравитации и образуют молодые звезды, вода оказывается в дисках вокруг них".
В конце концов диски эволюционируют, и частицы ледяной пыли коагулируют, образуя новую Солнечную систему с планетами и кометами. Мы показали, что вода, которая образуется в облаках, следует по этому следу практически без изменений. Итак, глядя на воду на диске V883 Orionis, мы, по сути, оглядываемся назад во времени и видим, как выглядела наша собственная Солнечная система, когда она была намного моложе.
Будущие исследования
В будущем ученые надеются использовать чрезвычайно мощный телескоп Европейской южной обсерватории для дальнейшего углубления своего понимания пути воды от звездообразующих облаков до солнечных систем. Это, возможно, позволит понять, как вода превращается из льда в газ в удаленных дисках.
