Новая теория объясняет, как вода впервые появилась на Земле

Происхождение воды на Земле — одна из самых интригующих загадок в астрофизике и планетологии. С момента образования нашей планеты около 4,5 миллиардов лет назад вода играла ключевую роль в формировании ее поверхности, климата и, в конечном итоге, жизни. Однако вопрос о том, как вода появилась на Земле, остается предметом активных научных дискуссий. Недавние исследования, включая работу научной группы под руководством Квентина Крала, предложили новую теорию, которая может пролить свет на этот вопрос. Новая статья, опубликованная в журнале Astronomy & Astrophysics, предлагает альтернативный взгляд на происхождение земной воды, основанный на современных наблюдениях и численном моделировании.

Ранние гипотезы о происхождении воды

Когда Земля только сформировалась, она была слишком горячей, чтобы удерживать лед или жидкую воду на своей поверхности. Это привело к предположению, что вода на нашей планете имеет внеземное происхождение. Одна из ранних гипотез предполагала, что вода выделялась из магмы в результате вулканической активности.

Согласно этой идее, водяной пар, выделявшийся во время извержений, конденсировался и формировал первые водоемы. Однако в 1990-х годах анализ изотопного состава воды на Земле (соотношение дейтерия к водороду, D/H) показал, что земная вода больше соответствует воде, обнаруженной в углеродистых астероидах, чем в кометах. Это открытие сместило фокус исследований в сторону астероидов как возможных источников земной воды.

Роль астероидов и комет

Кометы, состоящие из льда и камня, долгое время рассматривались как потенциальные источники воды. Они образуются в удаленных регионах Солнечной системы, таких как пояс Койпера и облако Оорта, и иногда выбрасываются в сторону Солнца, где их лед сублимируется, образуя характерные хвосты. Однако изотопный анализ показал, что вода в кометах имеет другое соотношение D/H, чем земная вода, что делает их менее вероятными кандидатами.

В то же время углеродистые астероиды, которые содержат гидратированные минералы, оказались более подходящими источниками. Эти астероиды, расположенные в основном в поясе астероидов между Марсом и Юпитером, могли доставить воду на Землю в результате гравитационных взаимодействий и столкновений.

Новая теория: диск водяного пара

Исследовательская группа Квентина Крала предложила новую теорию, которая объясняет появление воды на Земле через процесс дегазации льда из астероидов и формирования диска водяного пара вокруг молодого Солнца.

Согласно этой модели, астероиды, образовавшиеся в протопланетном диске, изначально содержали значительное количество льда. Когда протопланетный диск рассеялся (через несколько миллионов лет после образования Солнца), астероиды начали нагреваться, что привело к сублимации их льда. В условиях космического вакуума вода переходила в газообразное состояние, образуя диск водяного пара вокруг Солнца.

Этот паровой диск постепенно распространялся внутрь Солнечной системы, взаимодействуя с планетами земной группы — Меркурием, Венерой, Землей и Марсом. В результате этого процесса планеты «купались» в водяном паре, который затем конденсировался и захватывался их гравитационными полями. Основная часть этого процесса произошла в течение 20–30 миллионов лет после образования Солнца, когда его светимость резко увеличилась, ускорив дегазацию астероидов.

Подтверждение модели

Новая модель успешно объясняет количество воды на Земле, включая океаны, реки, озера и воду, скрытую в мантии. Соотношение D/H в земной воде также соответствует предсказаниям модели. Более того, теория может объяснить наличие воды на других планетах земной группы и даже на Луне. Например, данные о прошлом наличии воды на Марсе согласуются с моделью, что подтверждает ее универсальность.

Ключевые подтверждения теории были получены благодаря современным астрономическим наблюдениям и миссиям по исследованию астероидов. Радиотелескоп ALMA, расположенный в Чили, позволил наблюдать за внесолнечными системами с поясами, похожими на пояс Койпера. Эти наблюдения показали, что планетезимали в таких поясах могут сублимировать летучие вещества, такие как оксид углерода (CO). Для поясов, расположенных ближе к звездам, таких как пояс астероидов, более вероятна сублимация воды. Эти данные стали основой для нашей теории.

Кроме того, миссии Hayabusa 2 и OSIRIS-REx, которые исследовали астероиды Рюгу и Бенну, соответственно, обнаружили на их поверхности гидратированные минералы. Эти минералы образуются только при контакте с водой, что подтверждает предположение о том, что астероиды изначально содержали лед. Хотя большинство астероидов с тех пор потеряли свой лед, более крупные тела, такие как Церера, до сих пор сохраняют значительные запасы воды.

Численное моделирование и будущие исследования

Для проверки своей теории ученые разработали численные модели, которые отслеживают процесс дегазации льда, рассеивания водяного пара и его захвата планетами. Эти симуляции показали, что модель может точно воспроизвести количество воды на Земле и других планетах.

Однако для дальнейшего подтверждения теории необходимо обнаружить аналогичные диски водяного пара в других молодых планетных системах. Исследователи получили время для наблюдений на ALMA, чтобы изучить такие системы и найти доказательства существования этих дисков.

Заключение

Новая теория предлагает естественный и менее драматичный сценарий появления воды на Земле, чем ранее предполагавшиеся столкновения с кометами или астероидами. Она объединяет данные из различных областей науки, включая астрофизику, планетологию и геохимию, и открывает новые горизонты для исследований. Если дальнейшие наблюдения подтвердят существование дисков водяного пара в других планетных системах, это будет значительным шагом вперед в понимании происхождения воды не только на Земле, но и во Вселенной в целом.