Dowiedz się więcej o pochodzeniu wody w naszym Układzie Słonecznym

Używając Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), astronomowie wykryli gaz wodny w dysku planetotwórczym wokół gwiazdy V883 Orionis. Ta woda ma sygnaturę chemiczną, która wyjaśnia podróż wody z obłoków gazu tworzącego gwiazdy na planety i potwierdza tezę, że woda na Ziemi jest nawet starsza niż nasze Słońce.

„Możemy teraz prześledzić pochodzenie wody w naszym Układzie Słonecznym aż do okresu przed powstaniem Słońca” — mówi John J. Tobin, astronom z National Radio Astronomy Observatory w USA i główny autor artykułu opublikowanego dzisiaj w Nature.

Odkrycia tego dokonano badając skład wody w V883 Orionis, dysku formującym planetę, oddalonym od Ziemi o około 1300 lat świetlnych. Kiedy obłok gazu i pyłu zapada się, tworzy gwiazdę w swoim centrum. Wokół gwiazdy materiał chmurowy również tworzy dysk. W ciągu kilku milionów lat materia w dysku gromadzi się, tworząc komety, asteroidy i ostatecznie planety. Tobin i jego zespół wykorzystali ALMA, z którym współpracuje Europejskie Obserwatorium Południowe (ESO), do pomiaru sygnatur chemicznych wody i jej drogi od obłoku gwiazdotwórczego do planet.

Woda zwykle składa się z jednego atomu tlenu i dwóch atomów wodoru. Zespół Tobina badał nieco cięższą wersję wody, w której jeden z atomów wodoru zastąpiono deuterem – ciężkim izotopem wodoru. Ponieważ prosta i ciężka woda tworzą się w różnych warunkach, ich stosunek można wykorzystać do śledzenia, kiedy i gdzie powstała woda. Na przykład wykazano, że ten stosunek w niektórych kometach Układu Słonecznego jest podobny do stosunku wody na Ziemi, co sugeruje, że komety mogły przywieźć wodę na Ziemię.

Wizja tego artysty przedstawia dysk formujący planety wokół gwiazdy V883 Orionis. w skrajności część wody w dysku jest zamrożona jak lód i dlatego nie można jej łatwo wykryć. Wybuch energii z gwiazdy podgrzewa wewnętrzny dysk do temperatury, w której woda jest w stanie gazowym, co pozwala astronomom go wykryć. Wstawka pokazuje dwa rodzaje cząsteczek wody badane na tym dysku: zwykłą wodę, z jednym atomem tlenu i dwoma atomami wodoru oraz cięższą wersję, w której jeden atom wodoru jest zastąpiony przez deuter, ciężki izotop wodoru. KREDYT ESO/L. Chodnik

Zaobserwowano podróż wody z chmur do młodych gwiazd, a następnie z komet na planety, ale do tej pory nie było związku między młodymi gwiazdami a kometami. „V883 Orionis jest w tym przypadku brakującym ogniwem” — mówi Tobin. „Skład wody w dysku jest bardzo podobny do składu komet w naszym własnym Układzie Słonecznym. Jest to potwierdzenie poglądu, że woda w układach planetarnych powstała miliardy lat temu, przed Słońcem, w przestrzeni międzygwiezdnej i została odziedziczona zarówno przez komety, jak i Ziemię, w stosunkowo niezmienionej formie”.

Ale obserwowanie wody okazało się trudne. „Większość wody w dyskach formujących planety jest zamarznięta jak lód, więc zwykle jest niewidoczna dla naszego wzroku” – mówi współautorka Margot Leemker, doktorantka w Obserwatorium Leiden w Holandii. Wodę w stanie gazowym można wykryć dzięki promieniowaniu emitowanemu przez cząsteczki, gdy się obracają i wibrują, ale jest to bardziej skomplikowane, gdy woda jest zamarznięta, gdzie ruch cząsteczek jest bardziej ograniczony. Gazową wodę można znaleźć w centrum dysków, blisko gwiazdy, gdzie jest najgorętsza. Jednak te pobliskie obszary są ukryte przez sam dysk pyłowy i są zbyt małe, aby można je było zobaczyć za pomocą naszych teleskopów.

Na szczęście w niedawnym badaniu wykazano, że dysk V883 Orionis jest wyjątkowo gorący. Dramatyczny wybuch energii z gwiazdy podgrzewa dysk „do temperatury, w której woda nie jest już lodem, ale gazem, co pozwala nam to wykryć” – mówi Tobin.

Zespół wykorzystał ALMA, sieć radioteleskopów w północnym Chile, do obserwacji gazowej wody w V883 Orionis. Dzięki swojej wrażliwości i zdolności dostrzegania drobnych szczegółów byli w stanie wykryć wodę i określić jej skład, a także sporządzić mapę jej rozmieszczenia w dysku. Na podstawie obserwacji odkryli, że ten dysk zawiera co najmniej 1200 razy więcej wody niż we wszystkich oceanach na Ziemi.

W przyszłości mają nadzieję wykorzystać Ekstremalnie Wielki Teleskop ESO i jego instrument pierwszej generacji, METIS. Ten instrument pracujący w średniej podczerwieni będzie w stanie rozdzielić fazę gazową wody w tego typu dyskach, wzmacniając połączenie ścieżki wody z chmur gwiazdotwórczych do układów słonecznych. „To da nam znacznie pełniejszy obraz lodu i gazu w dyskach planetotwórczych” – podsumowuje Leemker.

Więcej informacji

Badania te zostały przedstawione w artykule Woda wzbogacona w deuter łączy dyski formujące planety z kometami i protogwiazdami, pojawiają się w Naturze (doi: 10.1038/s41586-022-05676-z).

W skład zespołu wchodzą John J. Tobin (National Radio Astronomy Observatory, USA), Merel LR van’t Hoff (Departament of Astronomy, University of Michigan, USA), Margot Leemker (Leiden Observatory, Leiden University, Holandia) [Leiden]), Ewine F. van Dishoeck (Leiden), Teresa Paneque-Carreño (Lejda; Europejskie Obserwatorium Południowe, Niemcy), Kenji Furuya (National Astronomical Observatory of Japan, Japonia), Daniel Harsono (Instytut Astronomii, National Tsing Hua University, Tajwan ), Magnus V. Persson (Department of Space, Earth and Environment, Chalmers University of Technology, Onsala Space Observatory, Szwecja), L. Ilsedore Cleeves (Department of Astronomy, University of Virginia, USA), Patrick D. Sheehan (Center Exploration i Interdyscyplinarnych Badań Astronomicznych, Northwestern University, USA) i Lucas Cieza (Núcleo de Astronomía, Facultad de Ingeniería, Millennium Nucleus on Young Exoplanets and their Moons, Universidad Diego Portales, Chile).

Europejskie Obserwatorium Południowe (ESO) umożliwia naukowcom z całego świata odkrywanie tajemnic Wszechświata z korzyścią dla wszystkich. Projektujemy, budujemy i obsługujemy światowej klasy obserwatoria naziemne — za pomocą których astronomowie zajmują się interesującymi pytaniami i szerzą fascynację astronomią — oraz promujemy międzynarodową współpracę w dziedzinie astronomii. Założona jako organizacja międzyrządowa w 1962 roku, obecnie ESO jest wspierana przez 16 państw członkowskich (Austria, Belgia, Czechy, Dania, Francja, Finlandia, Niemcy, Irlandia, Włochy, Holandia, Polska, Portugalia, Hiszpania, Szwecja, Szwajcaria i Zjednoczone Kingdom Kingdom), wraz z przyjmującym państwem Chile oraz z Australią jako Partnerem Strategicznym. Siedziba ESO oraz jej centrum dla zwiedzających i planetarium, ESO Supernova, znajdują się w pobliżu Monachium w Niemczech, podczas gdy chilijska pustynia Atakama, wspaniałe miejsce z wyjątkowymi warunkami do obserwacji nieba, jest domem dla naszych teleskopów. ESO zarządza trzema miejscami obserwacyjnymi: La Silla, Paranal i Chajnantor. W Paranal ESO obsługuje Bardzo Duży Teleskop i jego Interferometr Bardzo Dużego Teleskopu, a także teleskopy badawcze, takie jak VISTA. Również w Paranal ESO będzie gościć i obsługiwać Cherenkov Telescope Array South, największe na świecie i najbardziej czułe obserwatorium promieniowania gamma. Wraz z międzynarodowymi partnerami ESO obsługuje ALMA na Chajnantor, obiekcie, który prowadzi obserwacje nieba w skali milimetrowej i submilimetrowej. W Cerro Armazones, niedaleko Paranal, budujemy „największe na świecie oko na niebie” — Ekstremalnie Duży Teleskop ESO. Z naszych biur w Santiago w Chile wspieramy nasze działania w tym kraju oraz współpracujemy z partnerami i chilijskim społeczeństwem.

Woda wzbogacona w deuter łączy dyski formujące planety z kometami i protogwiazdamiNatura (Cały tekst)

Astrobiologia, Astrochemia