Вода является необходимым элементом для жизни на Земле. Ее происхождение до сих пор является предметом споров в научном сообществе. В новом исследовании два ученых используют изотопные данные, чтобы показать, что вода присутствовала в самом начале формирования нашей Солнечной системы: часть этой воды была бы найдена на нашей планете и, следовательно, ее возраст составил бы 4,5 миллиарда лет.
В протопланетных дисках вода фактически вездесуща. "Недавние исследования содержания воды в ранних планетарных системах, подобных нашей, показывают, что вода является обильной и вездесущей молекулой, изначально синтезированной на поверхности крошечных зерен межзвездной пыли путем гидрогенизации замороженного кислорода", — пишут исследователи в журнале Elements. В молекулярном облаке, из которого возникнет новая планетарная система, кислород прикрепляется и замерзает к пылевым зернам, с которыми он сталкивается. Как только молекула водорода пересекается с этим замороженным кислородом, образуется водяной лед.
В результате реакции может образоваться два типа воды: обычная вода, состоящая из кислорода и водорода, или тяжелая вода, состоящая из кислорода и дейтерия - изотопа водорода с протоном и нейтроном в ядре. Образование водяного льда вокруг зерен пыли является первым этапом процесса, который исследователи называют "холодной фазой". Со временем материя собирается в центре туманности, и начинает действовать гравитационная сила. В результате повышения температуры вокруг центра - область, которую эксперты называют горячей корино, — лед превращается в водяной пар. Вода становится самой распространенной молекулой в этой области.
"В типичной горячей корине содержится примерно в 10 000 раз больше воды, чем в океанах Земли", — пишут два автора - Чечилия Чеккарелли, итальянский астроном из Института планетарных наук и астрофизики в Гренобле, Франция, и Фуджун Ду, астроном из обсерватории Пурпурной горы в Нанкине, Китай. Эта стадия сублимации льда в пар является второй фазой процесса, которую исследователи называют "фазой протозвезды".
Эта протозвезда еще не начала реакции синтеза, но она начинает вращаться; окружающие ее газ и пыль образуют так называемый протопланетный диск, из которого будут происходить различные объекты этой новой системы. Молодая звезда продолжает набирать массу, но при этом выделяет мало тепла; протопланетный диск все еще холодный. Затем наступает третья фаза процесса: водяной пар, образовавшийся во второй фазе, реконденсируется в самых холодных частях протопланетного диска; зерна пыли снова покрываются ледяными мантиями. Из этих пылевых зерен, окруженных замерзшей водой, постепенно формируется планетарная система: появляются планеты, кометы и астероиды, которые вращаются вокруг своей звезды. Так возникла Земля.
Поэтому синтез воды происходит в два момента времени, в разных условиях: первый раз, когда система еще представляет собой холодное облако, второй - когда формируется протопланетный диск. В нашей Солнечной системе возраст воды, образовавшейся в результате первого синтеза, составляет 4,5 миллиарда лет. Для того чтобы определить возраст земной воды, необходимо определить, какое количество этой воды оказалось на Земле.
Исследователи отмечают, что соотношение изотопов водорода имеет решающее значение для понимания происхождения воды в планетарных телах. Во время холодной фазы температура чрезвычайно низка, что приводит к явлению, называемому супердейтерация. В этих условиях в водяной лед поступает больше дейтерия.
В момент рождения Вселенной, через несколько секунд после Большого взрыва, количество дейтерия было очень маленьким - всего один атом дейтерия на каждые 100 000 атомов стандартного водорода (или протия). Но в горячем корине, из-за предшествовавшей ему супердейтерации, изобилие не следует этой схеме. "В горячих коринах соотношение HDO/H2O лишь немного меньше 1:100. [Обилие дважды дейтерированной воды, D2O, составляет 1/1000 по отношению к H2O, или примерно в 107 раз больше, чем можно было бы предположить на основе соотношения обилия элементов D/H]", — утверждают авторы исследования.
Исследователи показали, что обилие тяжелой воды является характеристикой первого синтеза. Чтобы выяснить, какое количество этой воды достигло Земли, они сравнили значения отношения тяжелой воды к нормальной, HDO/H2O, на Земле со значениями в горячих точках корино в других формирующихся системах. Предыдущие исследования показали, что это соотношение примерно в десять раз выше, чем элементарное соотношение D/H во Вселенной и, следовательно, при рождении Солнечной системы.
По оценкам исследователей, от 1% до 50% воды Земли происходит из ранней фазы зарождения Солнечной системы, поэтому значительная часть нашей воды имеет возраст 4,5 миллиарда лет. Эта вода "вероятно, унаследована" от планетезималей, а не комет. Однако точный процесс пока не ясен.
"Вопрос очень сложный, поскольку происхождение и эволюция воды на Земле неизбежно связаны с другими важными элементами на этой планете, например, с углеродом, молекулярным кислородом и магнитным полем", — пишут они.
Поэтому выяснение того, как эта вода была доставлена на Землю, станет предметом дальнейших исследований. "Количество тяжелой воды на Земле - это наши хлебные крошки, которые могут помочь нам выбраться из лабиринта всех возможных маршрутов, по которым могла двигаться Солнечная система", — заключают они.