Походження води на Землі залишається незмінною таємницею. Існують різні гіпотези та теорії, що пояснюють, як сюди потрапила вода, і багато доказів, які їх підтверджують.
Але вода всюдисуща в протопланетних дисках, і походження води може бути не таким загадковим.
Дослідницька стаття в GeoScienceWorld Elements показує, що інші молоді сонячні системи мають велику кількість води. У сонячних системах, подібних нашій, під час росту молодої зірки та формування планет потрібна вода. Доказом є вміст важкої води на Землі, і це показує, що воді на нашій планеті 4,5 мільярда років.
Стаття « Ми п’ємо хорошу воду, якій 4,5 мільярда років », а автори – Сесілія Чеккареллі та Фуджун Ду. Чеккареллі — італійський астроном з Інституту планетарних наук і астрофізики в Греноблі, Франція. Ду є астрономом обсерваторії Purple Mountain у Нанкіні, Китай.
Формування сонячної системи починається з гігантської молекулярної хмари . Хмара складається переважно з водню, основного компонента води. Далі йдуть гелій, кисень і вуглець у порядку кількості.
Хмара також містить крихітні крупинки силікатного пилу та вуглецевого пилу. Дослідницька стаття проводить нас через історію води в нашій Сонячній системі, і ось тут вона починається.
Тут, у холодних куточках молекулярної хмари, коли кисень стикається з порошинкою, вона замерзає й прилипає до поверхні.
Але вода не є водою, доки водень і кисень не з’єднаються, а легші молекули водню в хмарі стрибатимуть по заморожених частинках пилу, поки не зустрінуть кисень.
Коли це відбувається, вони реагують і утворюють водяний лід – два типи води: звичайна вода та важка вода, що містить дейтерій.
Дейтерій — це ізотоп водню, який називається важким воднем (HDO). У його ядрі є протон і один нейтрон. Це відрізняє його від «звичайного» водню, який називається протиєм. Протій має протон, але не має нейтрона. Обидва ці ізотопи водню є стабільними та зберігаються донині, і обидва можуть поєднуватися з киснем, утворюючи воду.
Коли водяний лід утворює мантію на частинках пилу, автори називають це холодною фазою, першим кроком процесу, який вони описують у своїй статті.
Сила тяжіння починає діяти в хмарі, коли речовина збирається в центрі. Більша маса потрапляє в центр молекулярної хмари і починає формувати протозірку. Частина сили тяжіння перетворюється на тепло, і в межах кількох астрономічних одиниць (AU) від центру хмари газ і пил у диску досягають 100 Кельвінів (-280 Фаренгейтів).
100 К – це дуже холодно за земними умовами, лише -173 градуси за Цельсієм. Але з хімічної точки зору цього достатньо, щоб запустити сублімацію, і лід змінить фазу на водяну пару. Сублімація відбувається в гарячій області ядра, теплій оболонці, що оточує центр хмари.
Хоча вони також містять складні органічні молекули, вода стає найпоширенішою молекулою в ядрах.
Води тут багато, хоча вся пара. «… типове гаряче ядро містить приблизно в 10 000 разів більше води в океанах Землі», — пишуть автори .
Це другий крок у процесі, описаному авторами, і вони називають його фазою протозірки.
Далі зірка починає обертатися, а навколишні газ і пил утворюють сплюснутий обертовий диск, який називається протопланетним диском . Усе, що з часом стане планетами Сонячної системи та іншими об’єктами, знаходиться всередині цього диска.
Молода протозірка все ще набирає масу, і її терміни термоядерного синтезу на головній послідовності все ще знаходяться в її майбутньому.
Молода зірка виділяє трохи тепла від ударів на своїй поверхні, але не дуже. Отже, диск холодний, а регіони, найвіддаленіші від молодої протозірки, найхолодніші. Те, що станеться далі, має вирішальне значення, на думку авторів.
Водяний лід, який утворився на першому етапі, перетворюється на газ на другому етапі, але знову конденсується в найхолодніших частинах протопланетного диска. Та сама популяція порошинок знову вкрита крижаною мантією.
Але тепер молекули води в цій крижаній мантії містять історію води в Сонячній системі. «Таким чином, порошинки є охоронцями водної спадщини», – пишуть автори .
Це третій крок процесу.
На четвертому кроці Сонячна система починає набувати форму і нагадувати більш повністю сформовану систему. Усе, до чого ми звикли, як-от планети, астероїди та комети, починає формуватися та займати свої орбіти. І з чого вони походять? Ті крихітні порошинки та їхні двічі заморожені молекули води.
Це ситуація, в якій ми опинились сьогодні. Хоча астрономи не можуть подорожувати в минуле, вони все краще спостерігають за іншими молодими сонячними системами та знаходять підказки до всього процесу. Вода на Землі також містить критичну підказку: співвідношення важкої води до звичайної води.
У простому поясненні, наданому досі, деякі деталі випущено. Коли на першому кроці утворюється водяний лід, температура надзвичайно низька. Це викликає незвичайне явище, яке називається супердейтеруванням. Супердейтерування вводить більше дейтерію у водяний лід, ніж за інших температур.
Дейтерій утворився лише через кілька секунд після Великого вибуху . Його утворюється небагато: лише один дейтерій на кожні 100 000 атомів протію.
Це означає, що якби дейтерій був рівномірно змішаний з водою Сонячної системи, кількість важкої води була б виражена як 10-5. Але попереду ще більше складності.
У гарячому ядрі змінюється достаток. «Однак у гарячих ядрах співвідношення HDO/H 2 O становить лише трохи менше 1/100», — пояснюють автори . (HDO — це молекули води, що містять два ізотопи дейтерію, а H 2 O — звичайна вода, що містить два ізотопи протию.)
Там ще більше екстремальності. «Щоб зробити речі ще більш екстремальними, — пояснюють автори , — подвійно дейтерована вода D2O становить 1/1000 по відношенню до H 2 O, тобто приблизно в 107 разів більше, ніж те, що можна було б оцінити за співвідношенням вмісту елементів D/H».
Співвідношення містять таку велику кількість дейтерію через супердейтерування. У той момент, коли на поверхні частинок пилу утворюється лід, кількість атомів D у порівнянні з атомами Н, які потрапляють на поверхні частинок пилу, збільшується.
Поглиблене хімічне пояснення виходить за рамки цієї статті, але висновок очевидний.
«Немає інших способів отримати таку велику кількість важкої води ні в гарячих ядрах, ні в цілому», — пишуть автори . «Тому велика кількість важкої води є ознакою синтезу води в холодній молекулярній хмарі під час ери STEP 1».
Поки що важливо те, що є два епізоди синтезу води. Перше трапляється, коли Сонячна система ще не сформувалася і являє собою лише холодну хмару. Другий – коли утворюються планети.
Ці два відбуваються в різних умовах, і ці умови залишають свій ізотопний відбиток на воді. Воді з першого синтезу 4,5 мільярда років, і виникає питання: «Скільки цієї стародавньої води досягло Землі?»
Щоб з’ясувати це, автори спостерігали лише за двома речами: загальною кількістю води та кількістю дейтерованої води.
Як стверджують автори , «… а саме співвідношення важкої води до нормальної, HDO/H 2 O».
Було створено більш ніж достатньо води, щоб врахувати воду на Землі. Пам’ятайте, що кількість води в гарячому ядрі була в 10 000 разів більша, ніж вода на Землі, і її співвідношення HDO/H 2 O відрізняється від води, що утворилася в початковій хмарі.
Яка кількість води досягла Землі? Підказку можна знайти, порівнявши значення HDO/H 2 O у наземній воді зі значеннями гарячих ядер.
Гарячі ядра — це єдине місце, де ми спостерігали HDO в планетних системах сонячного типу, які ще формуються. У попередніх дослідженнях вчені порівнювали ці співвідношення зі співвідношеннями в об’єктах нашої Сонячної системи – кометах, метеоритах і крижаному супутнику Сатурна Енцеладі.
Отже, вони знають, що кількість важкої води на Землі, співвідношення HDO/H 2 O, приблизно в десять разів більше, ніж у Всесвіті та на початку Сонячної системи.
«Важка над нормальною» вода на Землі приблизно в десять разів перевищує елементарне співвідношення D/H у Всесвіті та, отже, при народженні Сонячної системи, у так званій сонячній туманності», — пояснюють автори .
Результати всієї цієї роботи показують, що від 1 до 50 відсотків води на Землі походить з початкової фази народження Сонячної системи. Це широкий діапазон, але це все ще важлива частка знань.
Автори підсумовують усе своїм висновком.
«Вода в кометах і астероїдах (з яких походить переважна більшість метеоритів) також була успадкована з самого початку у великих кількостях. Земля, ймовірно, успадкувала свою первинну воду переважно від планетезималей, які, як вважають, є попередниками астероїдів і планет, які сформувала Землю, а не з комет, що випали на неї».
Доставка кометами є ще однією гіпотезою щодо води на Землі. Згідно з цією гіпотезою, замерзла вода з-за межі замерзання досягає Землі, коли комети збурюються та відправляються із замерзлої Хмари Оорта у внутрішню частину Сонячної системи. Ідея має сенс.
Але це дослідження показує, що це може бути неправдою.
Однак це все ще залишає запитання без відповіді. Це не пояснює, як вся вода досягла Землі. Але дослідження показує, що кількість важкої води на Землі є принаймні початком розуміння цього.
«На завершення, кількість важкої води на Землі — це наша нитка Аріадни , яка може допомогти нам вийти з лабіринту всіх можливих маршрутів, якими, можливо, пройшла Сонячна система», — пояснюють вони.
Воді на Землі 4,5 мільярда років, як зазначено в назві статті. Принаймні деякі з них є. За словами авторів , планетезималі, ймовірно, доставили його на Землю, але як саме це сталося, незрозуміло. Існує набагато більше складнощів, які вченим потрібно розібрати, перш ніж вони зможуть це зрозуміти.
«Це питання досить складне, оскільки походження та еволюція води на Землі неминуче пов’язані з іншими важливими учасниками на цій планеті, наприклад, вуглецем, молекулярним киснем і магнітним полем», – пишуть автори .
Усе це пов’язано з тим, як виникло життя та як сформувалися світи. Ймовірно, вода зіграла певну роль у формуванні планетезималей, які доставили її на Землю. Ймовірно, вода зіграла певну роль у секвеструванні інших хімічних речовин, у тому числі будівельних блоків життя, на скелястих тілах, які доставили їх на Землю.
Вода лежить в центрі всього цього, і, показавши, що деякі з них походять із самих початків Сонячної системи, автори забезпечили відправну точку для з’ясування решти.
«Тут ми представили спрощену ранню історію земної води згідно з останніми спостереженнями та теоріями», — пишуть вони .
«Значна частина земної води, ймовірно, утворилася на самому початку народження Сонячної системи, коли це була холодна хмара газу та пилу, заморожена та збережена під час різних етапів, які призвели до формування планет, астероїдів і комет, і була врешті-решт передано на новонароджену Землю.
«Як відбувся останній пасаж — ще одна захоплююча глава», — підсумовують вони .
