Нова теорія пояснює, як стародавня Земля була такою вологою

Коли Земля вперше утворилася, було занадто жарко, щоб 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 ще через 100 мільйонів років після утворення Сонця – практично «відразу» на астрофізичному часовому масштабі. Ця вода, якій зараз понад 4,5 мільярда років, постійно оновлювалася завдяки кругообігу води на Землі. Моя дослідницька група нещодавно запропонувала нову теорію, щоб пояснити, як вода вперше прибула на Землю.

Загадка, яка створювалася мільярди років

Астрофізики десятиліттями борються 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, що виділяється через магму під час виверження вулканів, у яких більша частина газу, що виділяється, є водяною парою. Однак ця гіпотеза розвинулася в 1990-х роках після аналізу складу води на Землі та відкриття потенційної ролі крижаних комет, що вказує на позаземне походження.

Комети, які є сумішшю льоду та каміння, утворених у віддалених куточках Сонячної системи, іноді викидаються до Сонця. Коли вони нагріваються Сонцем, вони утворюють вражаючі хвости пилу та газу, які видно із Землі. Астероїди, розташовані в поясі астероїдів між Марсом і Юпітером, також були запропоновані як потенційні прабатьки земної води. Вивчення каменів комет і астероїдів за допомогою метеоритів – невеликих фрагментів цих тіл, які впали на Землю – дало ключові ідеї.

Аналізуючи співвідношення D/H – співвідношення важкого водню (дейтерію) до стандартного водню – вчені виявили, що вода на Землі більше відповідає воді «вуглецевих» астероїдів, які несуть сліди води минулого. Це перемістило фокус досліджень у бік цих астероїдів.

Останні дослідження були зосереджені на виявленні небесних механізмів, які могли доставити ці багаті водою астероїди на суху поверхню ранньої Землі. З’явилися численні теорії, які пояснюють «збурення» планетезималей – великих крижаних тіл в астероїдах і поясах Койпера. Ці сценарії передбачають гравітаційну взаємодію, яка зрушила ці об’єкти, посилаючи їх до Землі. Такі події вимагали б складного процесу «гравітаційного більярду», що свідчить про бурхливу історію Сонячної системи. Хоча очевидно, що формування планет передбачало значні потрясіння та впливи, цілком можливо, що доставка води на Землю відбувалася більш природним і менш драматичним способом.

Простіша гіпотеза

Я почав з припущення, що астероїди виходять крижаними зі свого кокона формування, також відомого як протопланетний диск. Цей кокон являє собою масивний, насичений воднем диск, наповнений пилом, де утворюються планети і початкові пояси. Він огортає всю планетну систему, що зароджується. Після того, як цей захисний кокон розсіюється — через кілька мільйонів років — астероїди нагріваються, змушуючи їхній лід танути або, точніше, сублімувати. У космосі, де тиск майже нульовий, вода після цього процесу залишається у формі пари.

Потім на пояс астероїдів, що обертається навколо Сонця, накладається диск водяної пари. Коли лід сублімується, диск наповнюється парою, яка поширюється всередину до Сонця завдяки складним динамічним процесам. По дорозі цей паровий диск стикається з внутрішніми планетами, занурюючи їх у своєрідну «ванну». У певному сенсі диск «поливає» планети земної групи: Марс, Землю, Венеру та Меркурій. Більша частина цього захоплення води відбулася через 20-30 мільйонів років після формування Сонця, у період, коли яскравість Сонця різко зросла протягом короткого періоду часу, збільшуючи швидкість дегазації астероїдів.

Коли вода захоплюється силою тяжіння планети, може відбуватися багато процесів. Однак на Землі захисний механізм гарантує, що загальна маса води залишалася відносно постійною з кінця періоду захоплення до сьогодні. Якщо вода піднімається надто високо в атмосферу, вона конденсується в хмари, які згодом повертаються на поверхню у вигляді дощу – процес, відомий як кругообіг води.

Обсяги води на Землі, як минулі, так і теперішні, добре задокументовані. Наша модель, яка починається з дегазації льоду з початкового поясу астероїдів, успішно враховує кількість води, необхідної для формування океанів, річок і озер, і навіть води, похованої глибоко в мантії Землі. Точні вимірювання співвідношення D/H води в океанах також відповідають нашій моделі. Крім того, модель пояснює кількість води, яка була в минулому на інших планетах і навіть на Місяці.

Вам може бути цікаво, як я прийшов до цієї нової теорії. Це пов’язано з нещодавніми спостереженнями, особливо тими, що були зроблені за допомогою ALMA, радіотелескопа з понад 60 антенами, розташованого в Чилі, на плато п’яти кілометрів над рівнем моря. Спостереження за позасонячними системами з поясами, подібними до поясу Койпера, показують, що планетезималі в цих поясах сублімують монооксид вуглецю (CO). Для поясів, розташованих ближче до своєї зірки, таких як пояс астероїдів, CO є надто летючим, щоб бути присутнім, і вода, швидше за все, буде вивільнена.

Побудова моделі

Саме з цих знахідок почала формуватися початкова ідея теорії. Крім того, ключове підтвердження надали нещодавні дані місій Hayabusa 2 і OSIRIS-REx, які досліджували астероїди, схожі на ті, які могли сприяти формуванню початкового 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 минулих кількостей води для Марса та інших планет земної групи підтвердили застосовність моделі і до них. Все підійшло, і результати були готові до публікації!

Для дослідників недостатньо створити модель, яка працює і, здається, все пояснює. Теорія має бути перевірена у більшому масштабі. Хоча зараз неможливо виявити початковий диск водяної пари, який «зрошував» планети земної групи, ми можемо подивитися на позасонячні системи з молодими поясами астероїдів, щоб побачити, чи існують такі диски водяної пари. Згідно з нашими розрахунками, ці диски, хоч і слабкі, повинні бути виявлені за допомогою ALMA. Наша команда щойно знайшла час на ALMA, щоб дослідити конкретні системи на наявність доказів. Можливо, ми стоїмо на зорі нової ери в розумінні походження води на Землі.