Внесистемная жидкость: вода на Земле старше Солнечной системы

Примерно половина воды на поверхности планет и почти весь лед в недрах комет и других объектов Солнечной системы возникли не в пределах протопланетной туманности, где родились Солнце и другие небесные тела, а в межзвездном пространстве. Как показывают доли изотопов, вода на Земле старше, чем материя Солнца и породы в недрах всех остальных объектов нашей планетной системы примерно на миллион лет. Оба этих факта, как пишут авторы открытия в журнале Science, заметно улучшают наши шансы найти внеземную жизнь.

«Если бы вода формировалась только в пределах самой звездной системы, то число ее молекул и доли других важных химических веществ, необходимых для формирования жизни, было бы разным для всех существующих и открытых нами экзопланет. Но, так как они на самом деле напрямую получают часть льдов, насыщенных сложными органическими веществами, из межзвездного пространства, то можно говорить о том, что все молодые планетные системы получают доступ к этим "кирпичикам жизни"», — объясняет Илседора Кливс из университета штата Мичиган в Энн-Арборе (США).

Кливс и еще полдюжины астрономов из разных университетов Соединенных Штатов и Великобритании пришли к такому парадоксальному выводу после того, как попытались воспроизвести те химические процессы, которые происходили в первые минуты и часы жизни Солнечной системы.

По современным представлениям, туманность, в центре которой родилось Солнце, состояла по большей части из водорода и гелия, а также небольшого количества более тяжелых элементов, таких, как кислород, азот, кремний, углерод и прочие элементы, входящие в состав горных пород. Большая часть этого материала была поглощена будущим светилом, а его остатки превратились в тонкий и плоский диск из пыли и газа, где и родились Земля и другие планеты.

Тепло, ультрафиолетовое излучение, выделяемые новорожденным Солнцем, и его притяжение разогревали этот диск, «перемешивали» его и заставляли содержащиеся в нем элементы вступать в различные химические реакции, в ходе которых рождалась вода, аммиак, углеводороды и более сложные органические молекулы. Следы этих первичных реакций дожили и до сегодняшних дней — они сохранились в толще льдов в недрах комет и древнейших астероидов.

Эти реликты первых дней Солнечной системы представляют огромный интерес для астрономов и биологов, и их изучением заняты ведущие космические агентства мира. В ноябре этого года на поверхность кометы Чурюмова-Герасименко приземлится и изучит химический состав ее льдов европейский посадочный модуль «Фила». А в 2016 году к астероиду Бенну (1999 RQ36) для сбора образцов с его поверхности отправится американский зонд OSIRIS-REx. Сведения, которые получат эти аппараты, помогут ученым выяснить, что же на самом деле происходило во время рождения планетарной семьи Солнца.

Кливс и ее коллеги не стали ждать этих знаменательных событий и попытались раскрыть тайны формирования Солнечной системы, опираясь на некоторые общеизвестные и не вызывающие сомнений законы, управлявшие процессом рождения Земли и других планет и определявшие их химический состав.

Астрономам и геологам сегодня хорошо известно, что на скорость химических реакций в протопланетном облаке больше всего влияют два тесно взаимосвязанных параметра — температура среды и ее изотопный состав. Дело в том, что склонность разных атомов вступать в реакции часто зависит от их массы — чем она меньше, тем охотнее они соединяются с другими веществами. При этом, чем выше температура в той точке, где происходят химические взаимодействия, тем ярче проявляются эти различия в активности тяжелых и легких изотопов.

Эта особенность протопланетного диска превращает многие химические соединения, в том числе и воду, в своеобразный паспорт, позволяющий практически с абсолютной точностью вычислять то место, где они возникли в первые мгновения жизни Солнечной системы. Так, доля дейтерия, тяжелого изотопа водорода, в воде должна плавно расти по мере удаления от Солнца — чем дальше от светила, тем ниже температура в протопланетном диске и тем больше шансов было у дейтерия вступить в реакцию с кислородом и другими элементами.

Первые же попытки «прочитать» этот химический паспорт показали, что не все так просто. К примеру, в водах Земли и Марса, сформировавшихся в теплой части Солнечной системы, содержится аномально много дейтерия. Это говорит о том, что водные запасы этих планет были доставлены на их поверхность кометами или астероидами-хондритами, сформировавшимися на дальних подступах нашей планетной семьи.

Эта дейтериевая аномалия, а также нестыковки в распределении изотопов других элементов, заставила авторов предположить, что вода в Солнечной системе могла происходить не из одного, а сразу из нескольких источников. Одним из них была первичная материя протопланетной туманности, а другим — скопления льда и пыли в межзвездном пространстве, которые протопланетный диск и формирующиеся планеты могли захватывать в то время, когда рождающаяся Солнечная система пролетала сквозь них.

На такую идею, как отмечают сами ученые, их натолкнули наблюдения за новорожденной парой из почти полных двойников Солнца, двойной звездой IRAS 16293-2422, расположенной в созвездии Змееносца на расстоянии в 400 световых лет от нашей планеты. В окрестностях этой звездной системы радиотелескоп ALMA в 2012 году обнаружил большие скопления межзвездного льда, доля дейтерия в котором была на несколько порядков выше, чем в воде на Земле и на других небесных телах.

Группа Кливс использовала известные нам сведения о химическом составе облака-прародителя Солнца, а также данные, собранные во время наблюдений за IRAS 16293-2422, для разработки компьютерной модели, описывающей процесс рождения Солнечной системы. Эта модель помогла им проверить, формировались ли водные запасы нашей планетной семьи в изоляции от всей остальной Вселенной или же в этот процесс вмешивалась межзвездная среда.

«Мы позволили этому супу из простейших элементов эволюционировать, в химическом смысле этого слова, на протяжении примерно миллиона лет, что является типичным временем жизни для протопланетного диска. Оказалось, что химические процессы, протекавшие внутри него, крайне плохо справлялись с производством тяжелой воды, как в близких к светилу, так и в дальних частях Солнечной системы. Это означает, что протопланетный диск не породил эту воду, а унаследовал ее из внешних источников. И поэтому мы можем говорить о том, что часть воды на Земле и на других планетах древнее, чем само Солнце», — добавляет Эдвин Бергин, другой автор статьи из университета Мичигана.

По расчетам астрономов, от трети до половины воды в современной Солнечной системе обязано своим происхождением межзвездным скоплениям льда и пыли, подобным тем, которые были найдены рядом с IRAS 16293-2422. Таким образом, примерно 60% воды в океанах Земли попали в них напрямую из космоса, а самые удаленные от Солнца кометы, как считают Кливс и ее коллеги, могут практически полностью состоять изо льда, захваченного «зародышем» Солнечной системы из межзвездной среды за миллион лет до появления светила и планет.

«Если все остальные планетные семьи возникли примерно так же, как Солнечная система, то это означает, что вода является постоянным участником в процессе формирования планет. На текущий момент орбитальный телескоп "Кеплер" обнаружил около тысячи экзопланет, в существовании которых никто не сомневается. Широкая доступность воды во время их рождения позволяет надеяться на то, что жизнь встречается во всех уголках Галактики», — заключает Кливс.