Ar Žemės Vanduo Senesnis už Saulę? Nauji Tyrimai Apie Sunkųjį Vandenį Kosmose

Vanduo – tai gyvybės šaltinis Žemėje, tačiau jo kilmė vis dar kelia daug klausimų. Mokslininkai jau seniai diskutuoja, ar vanduo atneštas asteroidų, ar jis buvo įkalintas pačios planetos uolienose. Naujas tyrimas rodo, kad vanduo galėjo atsirasti dar prieš Saulę, pakeisdamas mūsų supratimą apie kosminę vandens istoriją. Šiame straipsnyje išsamiai aptarsime naujausius atradimus, susijusius su sunkiuoju vandeniu protoplanetiniuose diskuose, ir jų reikšmę Žemės vandens kilmei.

Protoplanetinis diskas ©NASA | lt.m.wikipedia.org

Kas Yra Vanduo ir Jo Kilmės Teorijos?

Vanduo, kaip žinome, sudarytas iš dviejų vandenilio atomų ir vieno deguonies atomo. Tačiau vandens kilmė Žemėje – tai sudėtingas galvosūkis. Viena populiari teorija teigia, kad vanduo buvo pristatytas į Žemę asteroidų ir kometų susidūrimų metu ankstyvojoje Saulės sistemos formavimosi stadijoje. Kita vertus, kai kurie mokslininkai mano, kad vanduo galėjo būti įkalintas Žemės mantijoje nuo pat pradžių.

Žemės vandens amžius: Naujausi tyrimai, remiantys deuterio (sunkiojo vandenilio izotopo) matavimus, rodo, kad dalis Žemės vandens yra "pirmykštis" – susiformavęs tarpžvaigždiniuose debesyse dar prieš Saulės gimimą. Tai reiškia, kad vanduo Žemėje gali būti senesnis nei 4,6 milijardo metų – Saulės amžius. Pavyzdžiui, tyrimai su kometomis, tokiais kaip 67P/Churyumov-Gerasimenko, rodo panašius deuterio/hidrogeno santykius kaip Žemės vandenynų vandenyje (šaltinis: ESA Rosetta misija).

Istorijoje vandens kilmės teorijos keitėsi. XIX amžiuje mokslininkai manė, kad vanduo susiformavo vulkaninėmis dujomis. XX amžiuje, su kosminiais tyrimais, asteroidų vaidmuo tapo dominuojančiu. Dabar, su ALMA teleskopu, mes matome tiesioginius įrodymus, kad vanduo gali kilti iš kosminių debesų.

Remiantis tyrimais, iki 50% Žemės vandens galėjo kilti iš tarpžvaigždinių debesų, o likusi dalis – iš Saulės sistemos vidinių procesų. Tai patvirtina matavimai iš asteroido Bennu, kur rasta medžiagų, senesnių už Saulę (šaltinis: NASA OSIRIS-REx). Šie atradimai keičia mūsų supratimą apie planetų formavimąsi ir gyvybės galimybes kitose sistemose.

Sunkusis Vanduo: Kas Tai ir Kodėl Jis Svarbus?

Sunkusis vanduo – tai vandens forma, kur vandenilio atomai pakeisti deuteriu, sunkesniu izotopu. Deuteris turi vieną protoną, vieną elektroną ir vieną neutroną, todėl jis sunkesnis nei paprastas vandenilis. Sunkusis vanduo (D2O) randamas gamtoje mažais kiekiais – apie 1 iš 6400 vandens molekulių Žemėje yra sunkiojo vandens pėdsakų.

Deuterio vaidmuo kosmologijoje: Deuterio/hidrogeno santykis (D/H) – tai raktas į vandens kilmę. Žemės vandenynų D/H santykis yra apie 1,5 x 10^-4. Kosmose, tarpžvaigždiniuose debesyse, šis santykis aukštesnis, o protoplanetiniuose diskuose – žemesnis dėl cheminių procesų. Nauji tyrimai rodo, kad aukštas D/H santykis rodo "pirmykštį" vandenį iš priešsaulės eros (šaltinis: Nature Astronomy).

Sunkusis vanduo naudojamas ne tik astrofizikoje, bet ir branduolinėje energetikoje, kaip moderatorius reaktoriuose. Gamtoje jis randamas vandenynuose, o kosmose – debesyse ir kometose. Pavyzdžiui, kometoje Pons-Brooks D/H santykis atitinka Žemės, patvirtindamas asteroidų vaidmenį (šaltinis: IFLScience).

Deuterio formavimasis prasidėjo Didžiojo Sprogimo metu, todėl jo studijos leidžia suprasti Visatos evoliuciją. Implikacijos: Jei Žemės vanduo turi aukštą D/H, tai rodo jo kilmę iš senovinių debesų, o ne vietinių procesų. Tai keičia modelius apie vandens pristatymą į planetas.

Naujas Tyrimas: Sunkusis Vanduo V883 Orionis Sistemoje

Naujojo tyrimo autoriai teigė, kad pirmą kartą protoplanetiniame diske – medžiagoje aplink jauną žvaigždę, iš kurios vėliau formuojasi planetos – jie aptiko sunkiojo vandens. Atradimas buvo padarytas naudojant radijo teleskopą „Atacama Large Millimeter/submillimeter Array“ (ALMA). Jaunoje V883 Orionis sistemoje buvo rastas sunkusis vanduo. Šioje sistemoje mokslininkai taip pat pirmą kartą aptiko vadinamąją sniego liniją – sritį aplink žvaigždę, kurioje vanduo sukietėja.

Prieš kelis mėnesius astronomai toje pačioje sistemoje rado 17 skirtingų sudėtingų organinių molekulių. Dabar ten rastas sunkusis vanduo. „Mūsų atradimas įtikinamai įrodo, kad šiame planetų formavimosi diske pastebėtas vanduo turi būti senesnis už centrinę žvaigždę ir susidarė ankstyviausiuose žvaigždžių bei planetų formavimosi etapuose. Tai reikšmingas proveržis siekiant suprasti vandens kelią planetų formavimosi metu ir kaip šis vanduo panašiais procesais pateko į mūsų Saulės sistemą, o galbūt ir į Žemę“, – sako pagrindinė tyrimo autorė Margot Leemker (angl. Margot Leemker).

Leemker komanda išmatavo sunkiojo ir įprasto vandens santykį. Tai patvirtino, kad vanduo yra senesnis už pačią žvaigždžių sistemą. Komanda gavo pirmąjį tiesioginį įrodymą, kad vanduo gali būti išsaugotas formuojantis žvaigždėms ir planetoms. Tai galėtų reikšti, kad vanduo Žemėje gali būti senesnis už pačią Saulę.

„Iki šiol nebuvome tikri, ar didžioji dalis vandens kometose ir planetose yra ką tik susiformavęs jaunuose diskuose, tokiuose kaip V883 Orionis, ar jis yra „pirmykštis“, pasirodantis senoviniuose tarpžvaigždiniuose debesyse“, – sako antrasis autorius Johnas Tobinas (angl. John Tobin) iš JAV Nacionalinio mokslo fondo (NRAO) Nacionalinės radijo astronomijos observatorijos.

V883 Orionis – jauna žvaigždė, esanti apie 1300 šviesmečių nuo Žemės. Jos protoplanetinis diskas – tai dulkių ir dujų žiedas, iš kurio formuojasi planetos. Sniego linija – tai riba, kur vanduo virsta ledu dėl žemos temperatūros. ALMA aptiko sunkųjį vandenį garų pavidalu už šios linijos, kas rodo, kad vanduo sublimavosi dėl žvaigždės outburst'o – staigaus šviesumo padidėjimo (šaltinis: NRAO).

Šis atradimas – pirmas sunkiojo vandens aptikimas protoplanetiniame diske. Ankstesni tyrimai rasti sunkųjį vandenį kometose ir debesyse, bet ne diskuose. Tai patvirtina, kad vanduo išsaugomas per žvaigždžių formavimąsi, nepaisant intensyvių procesų kaip spinduliuotė ir šokas.

ALMA Teleskopas: Įrankis Kosminiams Paslaptims Atskleisti

Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) – tai 66 antenų masyvas Čilės Atakamos dykumoje, esantis 5000 metrų aukštyje. Jis skirtas milimetrinių ir submilimetrinių bangų stebėjimui, leidžiantis matyti šaltas dujas ir dulkes kosmose. ALMA – bendras ESO, NRAO ir NAOJ projektas.

ALMA atradimai protoplanetiniuose diskuose: Nuo 2013 m. ALMA stebi šimtus diskų, atskleisdamas struktūras kaip žiedus, spragas ir spiralės, rodančias planetų formavimąsi. Pavyzdžiui, ExoALMA projektas pateikė detalius vaizdus 15 diskų, rodančius dujų morfologiją (šaltinis: ALMA).

ALMA vaidmuo vandens tyrimuose: Jis aptiko vandenį garų pavidalu diskuose, kaip HL Tauri ar TW Hydrae. V883 Orionis atveju, ALMA matavo D/H santykį, patvirtindamas vandens senumą. Be to, ALMA randa organines molekules, kaip metanolį ir formaldehidą, svarbias gyvybei.

ALMA ateitis: Su atnaujinimais, kaip plačiajuostis jautrumas, ALMA toliau tyrinės vandens evoliuciją. 2025 m. planuojami tyrimai su JWST, kad sujungtų infraraudonųjų ir radijo duomenis.

Implikacijos Žemės Vandens Kilmei

Šis atradimas rodo, kad Žemės vanduo galėjo kilti iš tarpžvaigždinių debesų, pristatytas kometų ir asteroidų. Tyrimai rodo, kad iki 50% vandenyno vandens – senesnis už Saulę (šaltinis: BBC Sky at Night).

Asteroidai vs. tarpžvaigždiniai debesys: Ankstesnės teorijos pabrėžė asteroidus, kaip Itokawa ar Ryugu, bet dabar akcentas – ant debesų. Pavyzdžiui, kometos kaip Hale-Bopp turi aukštą D/H, rodantį senovinę kilmę.

Gyvybės implikacijos: Jei vanduo senas, tai reiškia, kad gyvybės ingredientai – universalūs. Organinės molekulės V883 Orionis rodo, kad gyvybė gali formuotis panašiai kitur.

Klimato pokyčiai: Supratimas vandens kilmės padeda modeliuoti Žemės vandenį ateityje, ypač su klimato kaita.

Kitos Vandens Kilmės Teorijos ir Tyrimai

Asteroidų vaidmuo: Tyrimai su Hayabusa2 misija rodo, kad asteroidai kaip Ryugu turi vandenį, panašų į Žemės (šaltinis: Space.com).

Kometos: Rosetta misija patvirtino, kad kometos pristatė vandenį, bet D/H skiriasi. Nauji tyrimai rodo mišinį.

Tarpžvaigždiniai debesys: Vanduo formuojasi šaltuose debesyse, kur H ir O jungiasi ant dulkių grūdelių. Herschel teleskopas aptiko vandenį debesyse (šaltinis: ESA Herschel).

Istoriniai tyrimai: Nuo 1990 m. ISO teleskopo iki ALMA, vandens aptikimai kosmose auga. 2023 m. ESO tyrimas V883 Orionis – proveržis.

Ateities Perspektyvos Vandens Tyrimuose

Būsimos misijos: JUICE ir Europa Clipper tirs ledinius mėnulius, ieškodami vandens. JWST stebės protoplanetinius diskus infraraudonosiose bangose.

Implikacijos egzoplanetoms: Jei vanduo senas, tai reiškia, kad vandeningos planetos – dažnos. Kepler ir TESS duomenys rodo daug kandidatų.

Žemės vandens apsauga: Supratimas kilmės skatina saugoti vandenį, ypač su tarša ir klimato kaita.

Išvada

Nauji tyrimai rodo, kad Žemės vanduo – kosminis paveldas, senesnis už Saulę. Tai keičia mūsų požiūrį į gyvybę ir Visatą. Tolimesni tyrimai atskleis daugiau paslapčių.