Вода старше Солнца: как далекая звезда указала на происхождение земных океанов
Океаны как минимум частично наполнены растаявшими кометами, а эти кометы законсервировали в себе воду, которая старше не только Земли, но и Солнца. К такому выводу подталкивает изучение водяного пара вокруг молодой звезды, у которой прямо сейчас образуются планеты.
Вселенная как океан
Вода — вероятно, самое распространенное химическое соединение во Вселенной. И это неудивительно в мире, где 77% вещества (по массе) приходится на водород, 21% на химически инертный гелий, а на третьем месте кислород (0,85%). Ведь вода — это и есть соединение водорода и кислорода.
Вода в виде льда или пара (газа) есть на всех планетах Солнечной системы. Спутники больших планет, от Юпитера до Нептуна, тоже во многом сложены водяным льдом. За орбитой Нептуна простирается гигантский пояс ледяных тел. Из него приходят кометы, состоящие изо льда, замерзших газов и небольшой примеси твердых пород. Их часто сравнивают с комками грязного снега. Водяной пар есть даже на Солнце, правда, лишь в самых прохладных его частях.
Вездесущее вещество обнаружено и в межзвездной среде. Астрономы полагают, что водяной лед образуется в медленных химических реакциях на поверхности межзвездных пылинок.
Акт творения
Межзвездное вещество неоднородно: где-то это почти полная пустота, а где-то сравнительно плотное облако. Самые плотные сгустки обладают и самым мощным тяготением. Это притяжение стягивает окружающее вещество, отчего облако становится еще плотнее: замкнутый круг, своего рода цепная реакция. В конце концов центральный сгусток становится таким плотным, что в нем начинаются термоядерные реакции. Другими словами, он превращается в звезду. Новорожденное светило окружают остатки родительского облака — диск газа и пыли, в котором со временем формируются планеты. Такие диски называются протопланетными.
Планеты в общем и целом образуются так же, как звезды: гравитация стягивает вещество протопланетного диска во все более крупные комки. Но в этот процесс вмешиваются лучи только что возникшего светила. Они спекают пылинки в гранулы, а большую часть газов и воды оттесняют подальше от звезды.
Кроме того, растущие комки пыли часто сталкиваются и разогреваются этими столкновениями. Иногда в «ДТП» попадают и уже практически сформировавшиеся планеты. Считается, например, что Луна образовалась в результате гигантского столкновения новорожденной Земли с планетой Тейя. Перед этим катаклизмом на Земле было в десятки, а то и сотни раз больше воды и других легких соединений, чем сегодня. Но катастрофа сорвала с нашей планеты атмосферу, расплавила поверхность и выбросила в космос почти всю исходную воду.
Недра тоже не остаются неизменными. Как только планета набирает массу, она начинает перерабатывать саму себя. Самые тяжелые элементы устремляются в центр (поэтому у Земли железное ядро), а легкие выдавливаются на поверхность. Трение между этими потоками вещества разогревает планету изнутри.
Словом, рождение планетной системы — это бурлящий котел, в котором огромные массы материи преобразуются до неузнаваемости. И судьба воды в этом круговороте — трудный вопрос.
Из-под земли и с неба
Откуда взялась вода, наполняющая реки и океаны? В конечном итоге — из межзвездного вещества, материала, сформировавшего Солнечную систему. Но на каком этапе «творения» эта вода попала на Землю и какие метаморфозы претерпела по пути?
Несомненно, как минимум часть сегодняшних океанов — это то, что осталось от внушительных водных запасов Земли после столкновения с Тейей. Эту воду принесла с собой еще протопланетная пыль, из которой образовалась планета. Сразу после космической катастрофы поверхность Земли представляла собой море расплавленной магмы, из которой выделялись вулканические газы — по большей части водяной пар. Так что у Земли сразу же начала формироваться новая атмосфера взамен потерянной. Высоко над поверхностью пар конденсировался в облака, обдававшие расплавленный базальт мощными ливнями. Со временем кора планеты затвердела, и дожди наполнили первые океаны. За минувшие с тех пор 4,5 млрд лет вулканы никогда не прекращали извергаться насовсем, и каждое извержение вносило свою лепту в обводнение земного шара.
С другой стороны, в новорожденной Солнечной системе было огромное количество комет — куда больше, чем сейчас. Сегодня их мало именно потому, что почти все ледяные тела, имевшие неосторожность зайти во владения планет, уже упали на них, в том числе и на Землю. Эти «комки грязного снега» могли стать значимым источником воды в земных океанах.
Как отличить кометную воду от исконно земной? Удивительно, но способ есть. Он основан на соотношении изотопов.
Изотопами по воде писано
Изотопы — это разновидности одного химического элемента, отличающиеся числом нейтронов в атомном ядре. Почти во всех атомах водорода нейтронов нет вообще. Ядро такого атома — это одиночный протон. Этот самый распространенный изотоп водорода называется протием. Но иногда встречается и дейтерий — водород, в ядре которого один нейтрон. Масса нейтрона примерно равна массе протона, так что дейтерий вдвое тяжелее протия. Вода, в которой оба атома водорода представлены дейтерием (D2O), называется тяжелой. Однако дейтерий очень редок, так что гораздо чаще тяжелой воды встречается полутяжелая (HDO), где на дейтерий приходится только один атом водорода.
Полутяжелая вода несколько отличается от обычной физическими и химическими свойствами. Поэтому по доле HDO в воде можно судить о ее происхождении и истории. Считается, что больше всего дейтерия должно быть в первозданном льде, возникшем в межзвездном пространстве. Чем больше приключений испытывает вода, тем меньше в ней сохраняется и без того редких молекул HDO.
Когда на заре истории лед протопланетного диска слипался в кометы, это уже была некоторая переработка. Но все же ее не сравнить с метаморфозами и катаклизмами, выпавшими на долю больших планет. Следовательно, в кометной воде дейтерия должно быть больше, чем в исконно земной.
Доля HDO в современных океанах хорошо известна: около 0,03%. Выполнить столь тонкие измерения для комет значительно труднее, ведь комету не возьмешь с собой в лабораторию. По разным данным, содержание полутяжелой воды в хвостатых гостьях колеблется от тех же 0,03% до 0,1%. Это приводит к разным оценкам доли кометной воды в океане: от незначительной до преобладающей. Более или менее уверенно можно сказать, что вода из-под крана состоит из растаявших древних комет на десятки процентов. Десять этих процентов, тридцать или пятьдесят — предмет дискуссий, в которых вряд ли скоро будет поставлена точка.
Остается еще один интересный вопрос. Мы упомянули, что возникновение кометы — это «некоторая» переработка первозданного межзвездного льда. Насколько она существенна? Недавнее исследование показывает, что не очень: кометы сохраняют первичную воду в почти нетронутом состоянии.
Заглянуть в звездные ясли
Со времен образования Солнца минули миллиарды лет. У нас нет образцов первозданного досолнечного льда, чтобы сравнить его с кометным. Но во Вселенной и сегодня хватает протопланетных дисков. Например, в 1300 световых годах от Земли у формирующейся звезды V883 Ориона.
Обычно наблюдать воду в таких дисках крайне трудно. Лед почти ничего не излучает, а пар существует лишь очень близко к звезде, и его излучение сливается со звездным. К счастью для исследователей, диск V883 Ориона необычно теплый. Радиотелескоп ALMA обнаружил излучение паров воды на дистанциях до 160 астрономических единиц от светила (одна единица равна расстоянию от Земли до Солнца). Воды в этом диске, даже только в виде пара, как минимум в 1200 раз больше, чем в океанах Земли. Чувствительный телескоп различил в ее излучении вклад молекулы HDO.
Оказалось, что доля полутяжелой воды в водных запасах V883 Ориона весьма велика: от 0,16% до 0,29%. Это вполне сравнимо с оценками для комет Солнечной системы и много выше, чем в земных океанах. При этом диск V883 Ориона слишком молод, чтобы в нем завершилось формирование комет. Из этого авторы заключают, что кометы сохраняют лед протопланетного диска (а значит, и межзвездный) в почти неизменном виде. Другими словами, падающие на древнюю Землю кометы принесли с собой первозданный досолнечный лед. Выпивая стакан воды, удивительно думать, что она помнит мир без Солнца.