Zonder water zou het leven op aarde niet kunnen bestaan zoals nu. Het begrijpen van de geschiedenis van water in het universum is van cruciaal belang om te begrijpen hoe planeten zoals de aarde ontstaan.
Astronomen verwijzen doorgaans naar de reis die water aflegt van zijn vorming als individuele moleculen in de ruimte naar zijn rustplaats op de oppervlakken van planeten als "het waterspoor". Het pad begint in het interstellaire medium met waterstof en zuurstofgas en eindigt met oceanen en ijskappen op planeten, met ijzige manen die in een baan om gasreuzen draaien en ijzige kometen en asteroïden die in een baan om sterren draaien. Het begin en einde van dit pad zijn gemakkelijk te zien, maar het midden is een mysterie gebleven.
Ik ben een astronoom die de vorming van sterren en planeten bestudeert met behulp van waarnemingen van radio- en infraroodtelescopen. In een nieuw artikel beschrijven mijn collega's en ik de eerste metingen ooit gedaan van dit voorheen verborgen middelste deel van het waterspoor en wat deze bevindingen betekenen voor het water dat op planeten zoals de aarde wordt aangetroffen.
Hoe planeten worden gevormd
De vorming van sterren en planeten is met elkaar verweven. De zogenaamde "leegte van de ruimte" - of het interstellaire medium - bevat in feite grote hoeveelheden gasvormig waterstof, kleinere hoeveelheden andere gassen, en korrels stof. Door de zwaartekracht zullen er enkele zakken van het interstellaire medium worden dichter als deeltjes elkaar aantrekken en wolken vormen. Naarmate de dichtheid van deze wolken toeneemt, beginnen atomen vaker en vaker met elkaar te botsen grotere moleculen vormen, inclusief water dat zich vormt op stofkorrels en bedekt het stof met ijs.
Sterren beginnen zich te vormen wanneer delen van de instortende wolk een bepaalde dichtheid bereiken en voldoende opwarmen om waterstofatomen samen te smelten. Aangezien slechts een klein deel van het gas aanvankelijk instort in de pasgeboren protoster, de rest van het gas en stof vormt een afgeplatte schijf van materiaal cirkelen rond de draaiende, pasgeboren ster. Astronomen noemen dit een proto-planetaire schijf.
Terwijl ijzige stofdeeltjes met elkaar botsen in een proto-planetaire schijf, ze beginnen samen te klonteren. Het proces gaat door en vormt uiteindelijk de vertrouwde objecten van de ruimte zoals asteroïden, kometen, rotsachtige planeten zoals de aarde en gasreuzen zoals Jupiter of Saturnus.
Twee theorieën voor de bron van water
Er zijn twee mogelijke routes die water in ons zonnestelsel zou kunnen hebben genomen. De eerste, belde chemische erfenis, is wanneer de watermoleculen die oorspronkelijk in het interstellaire medium zijn gevormd, zonder enige verandering worden afgeleverd aan proto-planetaire schijven en alle lichamen die ze creëren.
De tweede theorie heet chemische reset. In dit proces breekt de hitte van de vorming van de proto-planetaire schijf en de pasgeboren ster watermoleculen uit elkaar, die zich vervolgens hervormen zodra de proto-planetaire schijf afkoelt.
Om deze theorieën te testen, kijken astronomen zoals ik naar de verhouding tussen normaal water en een speciaal soort water dat halfzwaar water wordt genoemd. Water bestaat normaal gesproken uit twee waterstofatomen en één zuurstofatoom. Halfzwaar water bestaat uit één zuurstofatoom, één waterstofatoom en één deuteriumatoom - een zwaardere isotoop van waterstof met een extra neutron in de kern.
De verhouding tussen halfzwaar en normaal water is een leidraad op het waterspoor - het meten van de verhouding kan astronomen veel vertellen over de bron van water. Chemische modellen en experimenten hebben aangetoond dat er ongeveer 1,000 keer meer halfzwaar water zal worden geproduceerd in het koude interstellaire medium dan in de omstandigheden van een protoplanetaire schijf.
Dit verschil betekent dat astronomen, door de verhouding van halfzwaar tot normaal water op een plaats te meten, kunnen zien of dat water de chemische overerving of de chemische resetroute heeft doorlopen.
Water meten tijdens de vorming van een planeet
Kometen hebben een verhouding van halfzwaar tot normaal water die bijna perfect in overeenstemming is met chemische erfenis, wat betekent dat het water geen grote chemische verandering heeft ondergaan sinds het voor het eerst in de ruimte werd gecreëerd. De verhouding van de aarde zit ergens tussen de overervings- en resetverhouding in, waardoor het onduidelijk is waar het water vandaan kwam.
Om echt te bepalen waar het water op planeten vandaan komt, moesten astronomen een goudlokje proto-planetaire schijf vinden - een die precies de juiste temperatuur en grootte heeft om waarnemingen van water mogelijk te maken. Dit doen heeft bleek ongelooflijk moeilijk te zijn. Het is mogelijk om halfzwaar en normaal water te detecteren wanneer water een gas is; helaas voor astronomen is de overgrote meerderheid van de proto-plantaire schijven erg koud en bevatten voornamelijk ijs, en het is bijna onmogelijk om waterverhoudingen te meten van ijs op interstellaire afstanden.
Een doorbraak kwam in 2016, toen mijn collega's en ik proto-planetaire schijven bestudeerden rond een zeldzaam type jonge ster genaamd FU Orionis-sterren. De meeste jonge sterren consumeren materie van de proto-planetaire schijven om hen heen. FU Orionis-sterren zijn uniek omdat ze materie ongeveer 100 keer sneller consumeren dan typische jonge sterren en als gevolg daarvan honderden keren meer energie uitstoten. Vanwege deze hogere energie-output worden de proto-planetaire schijven rond FU Orionis-sterren verwarmd tot veel hogere temperaturen, waardoor ijs in waterdamp verandert tot op grote afstanden van de ster.
De Atacama Large Millimeter / submillimeter Array, een krachtige radiotelescoop in het noorden van Chili, we ontdekten een grote, warme protoplanetaire schijf rond de zonachtige jonge ster V883 Ori, ongeveer 1,300 lichtjaar van de aarde verwijderd in het sterrenbeeld Orion.
V883 Ori straalt 200 keer meer energie uit dan de zon, en mijn collega's en ik zagen in dat het een ideale kandidaat was om de verhouding tussen halfzwaar en normaal water te observeren.
Voltooiing van het waterpad
In 2021 deed de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array zes uur lang metingen aan V883 Ori. De gegevens onthulden een sterke signatuur van halfzwaar en normaal water afkomstig van V883 Ori's proto-planetaire schijf. We hebben de verhouding tussen halfzwaar en normaal water gemeten en ontdekten dat de verhouding zeer was vergelijkbaar met verhoudingen gevonden in kometen evenals de gevonden verhoudingen in jongere protostersystemen.
Deze resultaten vullen de leemte van het waterspoor op en smeden een directe link tussen water in het interstellaire medium, protosterren, proto-planetaire schijven en planeten zoals de aarde door het proces van overerving, niet door chemische reset.
De nieuwe resultaten laten definitief zien dat een substantieel deel van het water op aarde hoogstwaarschijnlijk miljarden jaren geleden is gevormd, voordat de zon zelfs maar was ontstoken. Het bevestigen van dit ontbrekende stuk water op het pad door het universum biedt aanwijzingen voor de oorsprong van water op aarde. Wetenschappers hebben eerder gesuggereerd dat het meeste water op aarde kwam van kometen die de planeet insloegen. Het feit dat de aarde minder halfzwaar water heeft dan kometen en V883 Ori, maar meer dan de chemische reset-theorie zou produceren, betekent dat water op aarde waarschijnlijk uit meer dan één bron kwam.
Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanaf The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees de originele artikel.
Krediet van het beeld: A. Angelich (NRAO/AUI/NSF)/ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), CC BY
- Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
- Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
- Bron: https://singularityhub.com/2023/03/17/a-goldilocks-star-reveals-a-previously-hidden-step-in-how-water-gets-to-earth/