Коли Земля тільки-но утворилася, було занадто жарко, щоб вона могла утримувати лід. Це означає, що вся вода на нашій планеті походить із позаземних джерел. Дослідження стародавніх земних порід показують, що рідка вода існувала на Землі вже через 100 мільйонів років після утворення Сонця — практично «відразу» в астрофізичному часовому масштабі. Ця вода, якій зараз понад 4,5 мільярда років, постійно оновлювалася завдяки кругообігу води на Землі.
Група французьких науковців під керівництвом Квентіна Крала (Quentin Kral) з Паризької обсерваторії нещодавно запропонувала нову теорію, щоб пояснити, як вода вперше потрапила на Землю. Статтю науковців опубліковано в журналі Astronomy & Astrophysics.
Загадка, якій мільярди років
Астрофізики десятиліттями б’ються з питанням про те, як вода потрапила на нашу молоду планету. Одна з найдавніших гіпотез припускала, що вода на Землі є прямим побічним продуктом утворення планети. Вона з’явилася під час виверження вулканів. Адже більша частина газу, що виділяється у процесі виверження, є водяною парою.
Нова гіпотеза виникла в 1990-х роках після аналізу складу води на Землі та відкриття потенційної ролі крижаних комет переносити воду в межах планетної системи. Ця гіпотеза вказує на позаземне походження земної води. Комети, які є сумішшю льоду та каміння, утворені у віддалених куточках Сонячної системи й іноді стають на шлях до Сонця. Коли воно їх нагріває, комети утворюють разючі хвости пилу та газу, які видно з Землі. Астероїдів, що містяться в поясі астероїдів між Марсом і Юпітером, також стали розглядати як потенційних носіїв прадавньої земної води.
Дослідження порід кометних ядер і астероїдів через вивчення метеоритів — невеликих фрагментів цих тіл, що впали на Землю — дало головні ідеї. Аналізуючи співвідношення D/H — частку важкого водню (дейтерію) до стандартного водню — науковці виявили, що вода на Землі більше відповідає воді «вуглецевих» астероїдів, які містять сліди давньої води. Це змістило фокус досліджень у бік таких астероїдів.
Дослідження в останні роки були зосереджені на виявленні небесних процесів, які б уможливили потрапляння цих багатих на воду астероїдів на суху поверхню ранньої Землі. Запропоновано багато теорії, які пояснюють «збурення» планетезималей — великих крижаних тіл в поясі астероїдів і поясі Койпера. Ці сценарії передбачають гравітаційну взаємодію, яка зрушила ці об’єкти і спрямувала їх до Землі. Такі події вимагали б складного процесу «гравітаційного більярду». Тобто рання історія Сонячної системи мала бути бурхливою.
Хоча очевидно, що формування планет передбачало значні потрясіння та впливи, цілком можливо, що доставка води на Землю відбувалася природнішим і менш драматичним способом.
Простіша гіпотеза
Квентін Крал (Quentin Kral) почав з припущення, що астероїди зі свого кокона формування, також відомого як протопланетний диск, виходять крижаними. Такий кокон — це масивний, насичений воднем і наповнений пилом диск, де утворюються планети і початкові пояси малих тіл. Він огортає всю планетну систему, що зароджується. Коли через кілька мільйонів років цей кокон розсіюється, астероїди починають нагріватися. Це приводить до того, що їхній лід тане або, точніше, сублімує. У космосі, де тиск майже нульовий, вода після цього процесу перебуває у формі пари.
Потім на пояс астероїдів, що обертається навколо Сонця, накладається диск водяної пари. Коли лід зазнає сублімації, диск наповнюється парою, яка поширюється в напрямку до Сонця завдяки складним динамічним процесам. По дорозі цей диск водяної пари стикається з внутрішніми планетами, занурюючи їх у своєрідну «ванну». Диск наче «поливає» планети земної групи: Марс, Землю, Венеру і Меркурій. Найбільше захоплення води трапилося через 20—30 мільйонів років після формування Сонця, у період, коли його яскравість різко зросла протягом короткого періоду часу, що пришвидшило дегазації астероїдів.
Коли сила тяжіння планети захоплює воду, може відбуватися багато процесів. Однак на Землі її захисний механізм гарантує, що загальна маса води була відносно постійною з кінця періоду захоплення до тепер. Якщо вода піднімається надто високо в атмосферу, вона конденсується в хмари і згодом повертається на поверхню у вигляді дощу — це процес, відомий як кругообіг води.
Обсяги води на Землі, що були як в минулому, так і ті, що є нині, добре визначено. Модель, запропонована французькими науковцями, в якій все починається з дегазації льоду з первинного поясу астероїдів, успішно враховує кількість води, потрібної для формування океанів, річок і озер, і навіть води, похованої глибоко в мантії Землі. Точні вимірювання співвідношення D/H води в океанах також відповідають цій моделі. Крім того, модель пояснює кількість води, яка була в минулому на інших планетах і навіть на Місяці.
Вам може бути цікаво, як Квентін Крал дійшов до цієї нової теорії. Це пов’язано з нещодавніми спостереженнями, особливо тими, що були зроблені за допомогою ALMA (Atacama Large Millimeter/sub-millimeter Array). Цей радіотелескоп з понад 60 антенами розташований в Чилі на плато, що має висоту п’ять кілометрів над рівнем моря. Спостереження за позасонячними системами з поясами, схожими на пояс Койпера, показують, що планетезималі в цих поясах сублімують монооксид вуглецю (CO). Для поясів, розташованих ближче до своєї зорі, таких як пояс астероїдів у Сонячній системі, CO є надто летким. Тому його там, мабуть, немає, а вода, найімовірніше, буде вивільнена.
Побудова моделі
Саме з цих знахідок стала формуватися початкова ідея теорії. Крім того, головне підтвердження надали нещодавні дані космічних місій Hayabusa-2 і OSIRIS-REx. Вони досліджували астероїди, схожі на ті, які могли сприяти формуванню первинного диска водяної пари.
Ці місії разом із тривалими спостереженнями за допомогою наземних телескопів виявили на цих астероїдах значну кількість гідратованих мінералів — мінералів, які можуть утворюватися лише через контакт з водою. Це підтверджує припущення про те, що ці астероїди спочатку були крижаними, хоча більшість з них втратили лід (за винятком більших тіл, таких як Церера).
Після створення основи моделі наступним кроком була розробка чисельного моделювання для відстеження дегазації льоду, дисперсії водяної пари та її остаточного захоплення планетами. Під час цього моделювання швидко стало зрозуміло, що модель може пояснити водопостачання Землі. Додаткові дослідження кількості води в минулому на Марсі та інших планет земної групи підтвердили: модель можна застосувати і до них.
Для дослідників недостатньо створити модель, яка працює і, як здається, все пояснює. Теорію треба перевірити зі спостережень. Хоча зараз неможливо виявити первинний диск з водяною парою, який «зрошував» планети земної групи, ми можемо подивитися на позасонячні системи з молодими поясами астероїдів, щоб побачити, чи існують такі диски з водяною парою. Згідно з розрахунками науковців, ці диски, хоч і слабкі, мають бути виявлені за допомогою ALMA. Тому французька група отримала спостережний час на ALMA, щоб дослідити конкретні системи на наявність доказів.
Можливо, ми стоїмо на зорі нової ери в розумінні походження води на Землі.
За інф. з сайту https://phys.org
