Молекулы воды на Земле оказались старше Солнца

Астрономы определили, что молекулы воды попадают из межзвездной среды напрямую в протопланетные диски вокруг молодых звезд, а затем и в ледяные тела, такие как кометы, которые могут переносить их на планеты. Таким образом, молекулы воды в Солнечной системе, в том числе на Земле, возникли в межзвездной среде еще до образования Солнца. Статья опубликована в журнале Nature.

Вода важна не только для возникновения и существования известных нам форм жизни, но и для процессов формирования звезд и планет. Ученых давно интересует весь путь путешествия молекул воды, который начинается в межзвездных облаках газа и пыли, а заканчивается на поверхностях и в атмосферах планет. Помочь в нем разобраться может измерение содержания молекул тяжелой воды (HDO) к обычной воде (H2O) в туманностях, молодых звездах и малых телах Солнечной системы, что даст информацию о том, где образовались те или иные молекулы воды.

Однако долгое время проблемой было наблюдение молекул воды в протопланетных дисках вокруг молодых звезд, так как водяной пар, который достаточно просто регистрировать, наблюдается лишь в пределах узкой снеговой линии (менее 10 астрономических единиц от звезды), а за ней превращается в лед на поверхности пылевых частиц, которые обнаруживать уже гораздо сложнее.

Группа астрономов во главе с Джоном Тобином (John J. Tobin) из Национальной радиоастрономической обсерватории США опубликовала результаты измерений содержания HDO/H2O в протопланетном диске вокруг солнцеподобной протозвезды V883 Ориона при помощи системы радиотелескопов ALMA.

V883 Ориона обладает массой 1,3 масс Солнца, возрастом около полумиллиона лет и находится на расстоянии 1300 световых лет от Солнца. Диск вокруг звезды обладает массой 0,02-0,09 массы Солнца, излучение пыли и газа регистрируются до отметок в 125 и 320 астрономических единиц от звезды, соответственно.

Изображения диска вокруг звезды V883 Ориона, полученные ALMA
ALMA, ESO, NAOJ, NRAO, J. Tobin, B. Saxton / NRAO / AUI / NSF

Исследователи напрямую зарегистрировали излучение молекул HDO и H218O в газовой фазе в диске. Это стало возможным благодаря тому, что около 130 лет назад в системе произошла вспышка аккреции вещества на протозвезду, из-за чего ее светимость увеличилась до 200 солнечных светимостей, а большая часть диска нагрелась выше температуры сублимации воды. Благодаря этому снеговая линия для воды оказалась на удалении 40-120 астрономических единиц от звезды.

Схема структуры типичного протопланетарного диска вокруг звезды солнечной светимости (а) и диска вокруг звезды V883 Ориона (b)
John J. Tobin et al. / Nature, 2023

Измеренный в текущей работе радиус снеговой линии для воды составил около 80 астрономических единиц от звезды. Общая масса водяного пара в протопланетном диске эквивалентна примерно 1200 массам всех земных океанов, причем это нижний предел, так как не учитываются молекулы воды на удалении менее 40 астрономических единиц от звезды и в виде льда во внешней части диска.

Соотношение HDO/H2O в диске вокруг V883 Ориона составило (2,26±0,63)×10–3. Это значение сравнимо со значениями, полученными для оболочек протозвезд и комет Солнечной системы, и превышает значение, полученное для земных океанов. Это означает, что и вода, и метанол, и дейтерированные частицы образуются в ледяной мантии пылинок в межзвездной среде еще до образования звезды, а во время формирования протопланетного диска или комет не происходит значительного химического изменения этих молекул, заключенных в лед, который затем попадает в состав комет, планетезималей или астероидов. В случае Солнечной системы это означает, что молекулы воды возникли в холодной межзвездной среде еще до образования Солнца, а затем попали в диск вокруг него, из которого формировались кометы и планеты.