Найдены доказательства существования первобытной воды на краю Солнечной системы

Фото из открытых источников

Солнечная система — довольно сырое место. Хотя большая часть поверхности Земли покрыта жидкой водой, это всего лишь капля в океане по сравнению со всем объемом воды, содержащимся в Солнечной системе, большая часть которой заключена в виде льда на спутниках гигантских планет.

Внешняя часть Солнечной системы ещё более ледяная. Вдали от тепла Солнца, миллионы ледяных объектов, составляющих пояс Койпера за Нептуном, предположительно содержат огромное количество этого вещества.

И теперь учёные обнаружили доказательства того, что по крайней мере часть этой далёкой воды совершенно не похожа на воду, которая есть у нас на Земле. Результаты нового исследования опубликованы в журнале Science Advances.

В небольшом количестве пылевых частиц, попавших на Землю из пояса Койпера, сохранились следы давно утраченной воды, несущие в себе признаки первобытной химии, что позволяет предположить, что запасы воды на краю Солнечной системы оставались нетронутыми, не затронутыми изменениями, происходящими ближе к Солнцу.

Согласно исследованию, проведенному под руководством планетолога Линдси Келлер из Космического центра им. Джонсона НАСА, это «убедительное доказательство наличия крупного резервуара тяжелой воды за пределами орбит газовых гигантов, который был в значительной степени изолирован от материалов внутренней части Солнечной системы».

Пояс Койпера за орбитой Нептуна, расположенный примерно в 30 астрономических единицах от Солнца (в 30 раз больше расстояния от Земли до Солнца), представляет собой довольно сложную для освоения область Солнечной системы.

Очень немногие созданные человеком летательные аппараты осмеливались проникнуть в его холодные, темные уголки.

На это уйдут годы; посадка зонда или сбор образцов для отправки на Землю были бы настолько астрономически сложными и дорогостоящими, что – по крайней мере, пока – это совершенно исключено.

Это довольно печально, потому что считается, что обломки льда и камней, находящиеся в поясе Койпера, являются одними из наиболее неизмененных остатков ранней Солнечной системы с тех пор, как она вся сформировалась из солнечной амниотической пыли и газа около 4,5 миллиардов лет назад.

К счастью для нас, не всё в поясе Койпера остаётся там.

Мы этого не видим, но Солнечная система полна космической пыли. По оценкам, каждый год на Землю выпадает около 5200 метрических тонн этой пыли. И часть этой пыли преодолела очень долгий путь, чтобы попасть сюда.

Келлер и его коллеги обнаружили 12 таких зерен, каждое размером от 10 до 30 микрометров, в материалах, собранных из стратосферы высотными самолетами НАСА.

Это поднимает интересный и важный вопрос: как можно определить, что микроскопическая пылинка, собранная из стратосферы Земли, прилетела из-за пределов орбиты Нептуна?

В Солнечной системе всё дело в следах от полётов. В межпланетном пространстве нет атмосферной защиты от мощного излучения, исходящего от Солнца, — и солнечные энергетические частицы не оставляют открытой пыли невредимой.

Проходя сквозь пылинку, солнечные энергетические частицы могут слегка смещать атомы в их кристаллической решетке, оставляя за собой характерный след – подобно тому, как заряженная частица оставляет след в паре в камере Вильсона, хотя механизмы при этом различны.

Чем больше таких следов накопил минерал, тем больше времени он провел в межпланетном пространстве. И это довольно надежный метод. Пыль, вращающаяся вокруг Солнца, испытывает так называемый эффект Пойнтинга-Робертсона — очень слабое сопротивление солнечного света, в результате чего частицы постепенно теряют энергию и закручиваются по спирали внутрь, к Солнцу.

Таким образом, ученые могут подсчитать радиационные следы и определить, провело ли зерно достаточно времени в космосе, чтобы добраться из далеких уголков Солнечной системы.

Обнаруженные Келлером и его командой частицы имели плотность треков примерно в 100 раз выше, чем ожидалось для пыли из пояса астероидов или комет семейства Юпитера, что согласуется с их происхождением из гораздо более отдаленных мест, вплоть до пояса Койпера.

Минеральный состав зерен дает еще одну подсказку — и, как обнаружили исследователи, хранит в себе секрет древней воды, которую они нашли.

Зерна были необычайно богаты углеродом, содержая примерно в четыре раза больше, чем некоторые углеродистые метеориты, — еще одно свидетельство того, что они образовались в других условиях, вдали от Солнца.

Но в этих зернах было еще кое-что, что дало особенно интригующую подсказку об их истории – глина.

Многие зерна содержали глины, такие как сапонит и серпентин, а также другие гидратированные минералы, которые образуются при химической реакции воды с другими минералами, изменяя их состав.

Это означает, что в какой-то момент в далеком прошлом внутри материнских тел, из которых образовались пылевые частицы, должна была существовать жидкая вода.

Хотя сегодня пояс Койпера находится в состоянии покоя, радиоактивный распад или тепло, выделяемое при столкновениях, могли когда-то нагреть внутреннюю часть некоторых его ледяных объектов настолько, чтобы растопить воду, позволив ей вступать в реакцию с окружающими породами.

Эта вода давно исчезла, но минералы в 12 зернах сохранили часть кислорода, который когда-то входил в их молекулы. И вот тут-то все и стало совсем не местным.

Кислород существует в нескольких разновидностях, называемых изотопами, которые различаются числом нейтронов в своих атомных ядрах. Наиболее распространенным является кислород-16, имеющий восемь протонов и восемь нейтронов. Но существуют также два более тяжелых, встречающихся в природе стабильных изотопа: кислород-17, имеющий восемь протонов и девять нейтронов, и кислород-18, имеющий восемь протонов и десять нейтронов.

Относительные пропорции этих изотопов могут варьироваться в зависимости от места и способа образования материала, оставляя своего рода химический отпечаток его истории.

Когда Келлер и его коллеги измерили изотопы кислорода в пылевых частицах, они обнаружили необычное обогащение более тяжелыми из них.

Восстановив химические реакции, приведшие к образованию гидратированных минералов, исследователи смогли оценить изотопный состав воды, ответственной за это явление.

Они обнаружили, что минералы унаследовали более тяжелые изотопы кислорода от воды, которая, должно быть, была необычайно богата ими, — сохранив таким образом следы древнего резервуара, существовавшего во внешней части Солнечной системы миллиарды лет назад.

Изотопный состав заметно отличался от состава воды, обнаруженной в углеродистых метеоритах, образовавшихся в других регионах ранней Солнечной системы.

Это позволяет предположить, что вода в далёком поясе Койпера принадлежала к отдельному резервуару, который оставался в значительной степени изолированным от перемешивания и химических изменений, происходящих ближе к Солнцу.

У исследователей есть предположение о том, что могло поддерживать такое положение вещей: гигантские планеты. И на этот раз роль «вратаря» исполняет Сатурн, не позволяя первобытной воде из внешней части Солнечной системы проникнуть во внутреннюю.

Модели ранней Солнечной системы предполагают, что Сатурн мог создать пик давления в диске газа и пыли, окружающем молодое Солнце, замедляя или даже останавливая движение вещества внутрь.

Таким образом, Сатурн, вместе с ледяными гигантами, мог способствовать сохранению запаса воды с изотопным составом, отличающимся от состава вещества, циркулирующего ближе к Солнцу.

Ученые давно подозревали, что подобное хранилище богатой тяжелым кислородом воды существовало в ранней Солнечной системе, но найти доказательства его существования было на удивление сложно.

Большинство доступных для изучения метеоритов происходят из регионов, где интенсивное перемешивание и химические изменения замаскировали первоначальные изотопные характеристики.

Но эти доказательства, возможно, все это время находились прямо у нас под носом.

Двенадцать зерен могут показаться не так уж много… пока вы не задумаетесь о том, какое расстояние они должны были преодолеть и как были собраны. В статье 2022 года Келлер и его соавтор Джордж Флинн из Государственного университета Нью-Йорка подсчитали, что до четверти межпланетной пыли, попадающей во внутреннюю часть Солнечной системы, могла прийти из пояса Койпера.

Где-то в непрерывном дожде космической пыли, падающей на Землю, могут находиться бесчисленные другие фрагменты самой ранней истории Солнечной системы, израненные в пути и хранящие тайны, которые сохранились миллиарды лет и в итоге оказались в вашем водостоке.