Откуда появилась вода в Солнечной системе? Она попала к нам из молекулярного облака, где формировалось светило, или образовалась уже после «рождения» звезды? Открытие льда из полутяжелой воды у будущего «близнеца» Солнца укрепило одну из гипотез.
Вода — одна из самых распространенных молекул в областях звездообразования. Она присутствует на всех этапах формирования систем: от молекулярного облака до «ожерелья» из планет и комет вокруг светила. К сожалению, проследить химическую «эволюцию» H20 между этими этапами почти невозможно. Зато тяжелая и полутяжелая вода гораздо чувствительнее к физико-химическим условиям среды.
Тяжелой водой называют оксид дейтерия. Дейтерий — изотоп водорода, ядро которого состоит из протона и нейтрона. У «обычного» водорода (протия) в ядре лишь протон. В молекуле тяжелой воды вместо двух атомов протия — два атома дейтерия, у полутяжелой воды — один атом дейтерия и один атом протия. Внешне тяжелая и полутяжелая вода ничем не отличается от обычной. Более того, мы постоянно с ними встречаемся: на каждые 3,2 тысячи молекул воды встречается примерно одна молекула полутяжелой воды (HDO), на каждый 41 миллион молекул H20 — молекула тяжелой воды (D20).
Значительная доля воды в Солнечной системе насыщена дейтерием. По некоторым оценкам, дейтерия тут в сотни раз больше, чем в окружающем разреженном межзвездном пространстве. Эффективнее всего этот изотоп водорода формируется в холодных условиях, поэтому, вероятно, такое соотношение дейтерия к водороду — «наследие» холодного и плотного молекулярного облака, в котором сформировалась наша звезда. Это подтверждает новое исследование.
В стремлении выявить связь между водой в Солнечной системе и межзвездным водным льдом астрономы изучают далекие формирующиеся светила. Их интересует динамика соотношения льда из полутяжелой воды к обычному водному льду. Это позволит проследить, насколько сильно меняется вода в процессе эволюции звезды. Ранее для таких исследований не хватало мощности инструментов, теперь же есть космический телескоп «Джеймс Уэбб».
Целью новейших наблюдений стал объект L1527 IRS — протозвезда класса 0/I. Она расположена в молекулярном облаке Тельца, примерно в 457 световых годах от нас. Ее окружает плотный кокон в 0,9 солнечной массы и широкий диск радиусом до 125 астрономических единиц (а. е. — среднее расстояние от Солнца до Земли). Сейчас масса звезды — от 0,3 до 0,5 солнечной массы, но со временем она, вероятно, накопит достаточно материи и станет похожей на Солнце.
Благодаря наблюдениям космического телескопа «Джеймс Уэбб» ученые подтвердили наличие и вычислили содержание льда из полутяжелой воды у маломассивной протозвезды L1527 IRS. Соотношение «полутяжелого» льда к водному оказалось высоким — 4,4×10-3. Результаты исследования опубликованы в журнале The Astrophysical Journal Letters.
Также соотношение льдов оказалось сопоставимо с соотношением полутяжелой и обычной воды в газообразном состоянии в горячих областях вблизи других протозвезд. Это подтверждает предположение, что при разогреве соотношение не меняется, и мы можем использовать соотношение газов как показатель соотношения льдов в «невидимых», более удаленных областях протозвезд.
Аналогичное соотношение встречается в некоторых кометах (например, в комете Чурюмова — Герасименко) и было обнаружено в протопланетном диске протозвезды V883 Orionis. Получается, значительная доля воды в системах старше их звезд.
«Это открытие дополняет накапливающиеся доказательства того, что значительная доля водного льда почти не меняется на пути от самых ранних до поздних этапов формирования звезды», — объяснила соавтор исследования Эвина ван Дисук (Ewine van Dishoeck), профессор астрономии из Лейденского университета (Нидерланды).
Чтобы убедиться в выводах, ученые планируют продолжать наблюдения и исследования в двух направлениях. Во-первых, собрать данные по льду из полутяжелой воды у других протозвезд. Во-вторых, продолжать измерять соотношение у одних и тех же протозвезд, чтобы выявить динамику и индивидуальные факторы, влияющие на изменения этого показателя.
Сравнение соотношения полутяжелой воды к обычной воде в различных космических объектах: от углистых хондритов и комет облака Оорта (слева) до протозвезд (справа). Синим пунктиром обозначено соотношение в океанах Земли. Оранжевым шестиугольником — протозвезда L1527 IRS