الماء في الفضاء – يكشف نجم “Goldilocks” عن خطوة مخفية سابقًا في كيفية وصول الماء إلى الكواكب مثل الأرض

بدون الماء ، لا يمكن أن توجد الحياة على الأرض كما هي اليوم. يعد فهم تاريخ الماء في الكون أمرًا بالغ الأهمية لفهم كيفية ظهور كواكب مثل الأرض.

يشير علماء الفلك عادةً إلى رحلة الماء التي تأخذها من تكوينها كجزيئات فردية في الفضاء إلى مكان راحتها على أسطح الكواكب على أنها “مسار الماء”. يبدأ المسار في الوسط النجمي بغاز الهيدروجين والأكسجين وينتهي بالمحيطات والغطاء الجليدي على الكواكب ، مع أقمار جليدية تدور حول عمالقة الغاز والمذنبات الجليدية والكويكبات التي تدور حول النجوم. من السهل رؤية بدايات ونهايات هذا المسار ، لكن الوسط ظل لغزا.

أنا عالم فلك يدرس تكوين النجوم والكواكب باستخدام الملاحظات من التلسكوبات الراديوية والأشعة تحت الحمراء. في بحث جديد ، وصفت أنا وزملائي القياسات الأولى على الإطلاق لهذا الجزء الأوسط المخفي سابقًا من مسار المياه وما تعنيه هذه النتائج للمياه الموجودة على كواكب مثل الأرض.

كيف تتشكل الكواكب

يتشابك تكوين النجوم والكواكب. في الواقع ، يحتوي ما يسمى بـ “فراغ الفضاء” – أو الوسط بين النجوم – على كميات كبيرة من الهيدروجين الغازي وكميات أصغر من الغازات الأخرى وحبيبات الغبار. بسبب الجاذبية ، ستصبح بعض جيوب الوسط النجمي أكثر كثافة حيث تجذب الجسيمات بعضها البعض وتشكل السحب. مع زيادة كثافة هذه السحب ، تبدأ الذرات في الاصطدام بشكل متكرر وتشكل جزيئات أكبر ، بما في ذلك الماء الذي يتشكل على حبيبات الغبار ويغطي الغبار في الجليد.

تبدأ النجوم بالتشكل عندما تصل أجزاء من السحابة المنهارة إلى كثافة معينة وتسخن بدرجة كافية لبدء دمج ذرات الهيدروجين معًا. نظرًا لأن جزءًا صغيرًا فقط من الغاز ينهار في البداية في النجم الأولي حديث الولادة ، فإن باقي الغاز والغبار يشكل قرصًا مسطحًا من المواد يدور حول النجم الوليد الوليد. يطلق علماء الفلك على هذا القرص الكوكبي الأولي.

عندما تصطدم جزيئات الغبار الجليدية ببعضها البعض داخل قرص كوكبي أولي ، فإنها تبدأ في التكتل معًا. تستمر العملية وتشكل في النهاية أجسامًا مألوفة في الفضاء مثل الكويكبات والمذنبات والكواكب الصخرية مثل الأرض وعمالقة الغاز مثل كوكب المشتري أو زحل.

نظريتان لمصدر المياه

هناك مساران محتملان يمكن أن يسلكهما الماء في نظامنا الشمسي. الأول ، الذي يسمى الوراثة الكيميائية ، هو عندما يتم تسليم جزيئات الماء التي تشكلت في الأصل في الوسط البينجمي إلى أقراص الكواكب الأولية وجميع الأجسام التي تخلقها دون المرور بأي تغييرات.

النظرية الثانية تسمى إعادة الضبط الكيميائي. في هذه العملية ، تعمل الحرارة الناتجة عن تكوين القرص الكوكبي الأولي والنجم الوليد على تفتيت جزيئات الماء ، والتي يتم إصلاحها بعد ذلك بمجرد أن يبرد قرص الكواكب الأولي.

لاختبار هذه النظريات ، ينظر علماء الفلك مثلي إلى النسبة بين الماء العادي ونوع خاص من الماء يسمى الماء شبه الثقيل. يتكون الماء عادة من ذرتين هيدروجين وذرة أكسجين. يتكون الماء شبه الثقيل من ذرة أكسجين واحدة وذرة هيدروجين وذرة واحدة من الديوتيريوم – وهو نظير أثقل من الهيدروجين مع نيوترون إضافي في نواته.

تعتبر نسبة الماء شبه الثقيل إلى العادي ضوءًا إرشاديًا على مسار الماء – يمكن أن يخبر قياس النسبة علماء الفلك كثيرًا عن مصدر الماء. أظهرت النماذج والتجارب الكيميائية أنه سيتم إنتاج كمية من الماء شبه الثقيل في الوسط البينجمي البارد بنحو 1000 مرة أكثر مما يتم إنتاجه في ظروف قرص كوكبي أولي.

يعني هذا الاختلاف أنه من خلال قياس نسبة الماء شبه الثقيل إلى الماء العادي في مكان ما ، يمكن لعلماء الفلك معرفة ما إذا كانت هذه المياه قد مرت عبر مسار الوراثة الكيميائية أو مسار إعادة التعيين الكيميائي.

قياس الماء أثناء تكوين الكوكب

تحتوي المذنبات على نسبة من الماء شبه الثقيل إلى الماء العادي بشكل مثالي تقريبًا بما يتماشى مع الوراثة الكيميائية ، مما يعني أن الماء لم يخضع لتغير كيميائي كبير منذ نشأته لأول مرة في الفضاء. تقع نسبة الأرض في مكان ما بين نسبة الوراثة ونسبة إعادة التعيين ، مما يجعل من غير الواضح من أين أتت المياه.

لتحديد مصدر الماء على الكواكب حقًا ، كان علماء الفلك بحاجة إلى العثور على قرص كوكبي أولي من نوع Goldilocks – وهو قرص بدرجة الحرارة والحجم المناسبين للسماح برصد الماء. ثبت أن القيام بذلك أمر صعب للغاية. من الممكن اكتشاف المياه شبه الثقيلة والعادية عندما يكون الماء غازًا ؛ لسوء الحظ بالنسبة لعلماء الفلك ، فإن الغالبية العظمى من الأقراص النباتية الأولية شديدة البرودة وتحتوي في الغالب على الجليد ، ويكاد يكون من المستحيل قياس نسب الماء من الجليد على مسافات بين النجوم.

حدث تقدم كبير في عام 2016 ، عندما كنت أنا وزملائي ندرس أقراص الكواكب الأولية حول نوع نادر من النجوم الشابة يُدعى FU Orionis stars. تستهلك معظم النجوم الفتية المادة من الأقراص الكوكبية الأولية المحيطة بها. تعتبر نجوم FU Orionis فريدة من نوعها لأنها تستهلك المادة أسرع بنحو 100 مرة من النجوم الشابة النموذجية ، ونتيجة لذلك ، تنبعث منها طاقة أكثر بمئات المرات. بسبب هذا الإنتاج العالي للطاقة ، يتم تسخين أقراص الكواكب الأولية حول نجوم FU Orionis إلى درجات حرارة أعلى بكثير ، مما يحول الجليد إلى بخار ماء إلى مسافات كبيرة من النجم.

باستخدام مصفوفة Atacama Large Millimeter / submillimeter Array ، وهي تلسكوب راديو قوي في شمال تشيلي ، اكتشفنا قرصًا كوكبيًا أوليًا كبيرًا ودافئًا حول النجم الشاب الشبيه بالشمس V883 Ori ، على بعد حوالي 1300 سنة ضوئية من الأرض في كوكبة الجبار.

يصدر V883 Ori طاقة تزيد بمقدار 200 مرة عن طاقة الشمس ، وقد أدركت أنا وزملائي أنها كانت مرشحًا مثاليًا لمراقبة نسبة الماء شبه الثقيلة إلى العادية.

استكمال مسار المياه

في عام 2021 ، أجرى مصفوفة أتاكاما كبيرة المليمتر / المليمترات قياسات V883 أوري لمدة ست ساعات. كشفت البيانات عن توقيع قوي لمياه شبه ثقيلة وعادية قادمة من قرص كوكبي أولي لـ V883 أوري. قمنا بقياس نسبة الماء شبه الثقيل إلى الماء العادي ووجدنا أن النسبة كانت مشابهة جدًا للنسب الموجودة في المذنبات وكذلك النسب الموجودة في الأنظمة النجمية الأحدث.

تملأ هذه النتائج فجوة مسار المياه التي تشكل رابطًا مباشرًا بين الماء في الوسط النجمي ، والنجوم الأولية ، والأقراص الكوكبية الأولية ، والكواكب مثل الأرض من خلال عملية الوراثة ، وليس إعادة التعيين الكيميائي.

تظهر النتائج الجديدة بشكل قاطع أن جزءًا كبيرًا من الماء على الأرض قد تشكل على الأرجح منذ مليارات السنين ، قبل أن تشتعل الشمس. يقدم تأكيد هذا الجزء المفقود من مسار الماء عبر الكون أدلة على أصول الماء على الأرض. اقترح العلماء سابقًا أن معظم المياه على الأرض تأتي من تأثير المذنبات على الكوكب. حقيقة أن الأرض تحتوي على كمية أقل من الماء شبه الثقيل من المذنبات و V883 أوري ، ولكن أكثر من نظرية إعادة الضبط الكيميائي التي يمكن أن تنتجها ، تعني أن الماء على الأرض جاء على الأرجح من أكثر من مصدر واحد.