Когда во Вселенной зародилась вода?
Изучая древние молекулярные облака в нашей галактике, астрономы заметили, что вода во Вселенной появилась гораздо раньше – спустя один миллиард лет после Большого Взрыва.
Загвоздка состояла в том, что молекула воды, состоящая из двух атомов водорода и одного атома кислорода, как и любой элемент тяжелее гелия, была сформирована в ядрах звезд, а не самим Большим Взрывом.
Первым звездам требовалось некоторое количество времени, чтобы сформироваться, состариться и погибнуть, благодаря чему, такие тяжелые элементы как кислород, смогли вырваться через звездные ветра и сверхновые. Принимая во внимание такую временную задержку, астрономы довольно долгое время считали, что вода во Вселенной появилась гораздо позже.
Но согласно новому исследованию, опубликованному в журнале Astrophysical Journal Letters, это могло произойти гораздо быстрее. В самом деле, существует вероятность, что вода могла зародиться спустя один миллиард лет после того, как зародилась Вселенная.
«Мы изучали химию молодых молекулярных облаков, содержащих в тысячу раз меньше кислорода, чем наше Солнце. И к нашему удивлению мы обнаружили, что там может находиться гораздо больше водяного пара, чем предполагалась ранее», — сказал Ави Лоеб, астрофизик из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики.
Первые звезды, зародившиеся спустя 100 миллионов лет после Большого Взрыва, были массивными и нестабильными. Они быстро сжигали свое водородное топливо, взрываясь как сверхновые. Эти звездные взрывы наполнили Вселенную тяжелыми элементами. Результатом этих событий стали газовые карманы богатые тяжелыми элементами («богатыми» — вопрос спорный, так как по сравнению с содержанием кислорода нашей современной галактики, эти ранние газовые облака были очень бедны кислородом).
Но, несмотря на низкий уровень кислорода, среда в то время была идеальной для «приготовления» молекулы воды. Температура около 80 градусов по Фаренгейту(300 по Кельвину) была оптимальной для того, чтобы совместить кислород с атомами водорода, который был в изобилии.
«Такая температура была доступна, потому что Вселенная в прошлом была теплее, чем сегодня, и газ был не в состоянии эффективно охлаждаться», — говорит соавтор исследователь Шмуэль Бялы из Тель-Авивского университета.
«Свечение космического микроволнового фона было жарче, и плотность газа была выше», — добавил Амиэль Штернберг, также соавтор из Тель-Авивского университета.
Тем не менее, в течение этого бурного времени нашей Вселенной, обилие молодых звезд порождало мощное ультрафиолетовое излучение, которое разрывало вновь сформированные молекулы. Но спустя миллионы лет, разрушительное воздействие ультрафиолетового света спало, и процесс формирования воды ускорился.
Это исследование показывает, что спустя всего один миллиард после Большого Взрыва, наша Вселенная имела богатую среду для производства воды, несмотря на низкое содержание воды. Это подготовило почву для более поздних эпох, когда возле более поздних звезд начали формироваться планеты, где вода уже присутствовала.
Источник
Как во Вселенной появилась вода: доказанные теории и новые гипотезы
Москва, 04.07.2021, 22:38:21, редакция ПРОНЕДРА.РУ, автор Елена Даниленко.
Вода в космосе — сложная тема. Обнаружение воды на Марсе стало очень громким открытием. Однако, она находится там в основном в состоянии пара. Есть также немного льда. На Красной планете очень низкое давление, которое не способствует существованию жидкой воды.
Так где же найти воду во Вселенной? Учёные уверяют, что в нашей солнечной системе воды довольно много. НАСА в настоящее время готовится отправить зонд в космос, чтобы исследовать Юпитер и ответить на вопрос, сколько там воды.
Кроме того, существует гипотеза, что воду в космосе можно найти на пяти планетах за пределами Солнечной системы.
Вода во Вселенной появилась значительно раньше, чем предполагалось
До сих пор в научном мире считалось, что вода во Вселенной должна была появиться сравнительно недавно, после нескольких поколений звёзд. Недавние исследования показывают, что это произошло намного раньше. И воды было довольно много.
Ранее учёные полагали, что первое поколение звёзд, появившихся после Большого взрыва, образовалось из водорода и гелия. Большинство других, более тяжёлых элементов, образовалось намного позже. Они появились в ядрах первых звёзд. И только после прекращения существования некоторых звёзд, сверхновые, более тяжелые элементы мигрировали в межзвёздное пространство. Это создало газовые облака. Но они были бедны кислородом — его содержание было намного ниже, чем, например, в нашей сегодняшней Галактике.
Последнее исследование группы учёных из Гарвардского университета и Тель-Авивского университета, опубликованное в Astrophysical Journal Letters, доказывает, что, несмотря на относительно небольшое количество кислорода, вода во Вселенной образовалась намного раньше, чем мы думали. Вполне вероятно, что водяной пар появился, спустя миллиард лет после Большого взрыва. По мнению команды учёных, это может иметь решающее значение для определения сроков существования жизни во Вселенной.
«Разработанная нами теоретическая модель позволяет предположить, что молекулярные облака молодых галактик могли содержать значительное количество водяного пара. И это несмотря на то, что уровень кислорода там в тысячи раз ниже, чем в нашей галактике сегодня», — сказал Шмуэль Бяли, аспирант в Тель-Авивском университете и ведущий автор исследования.
Учёные проанализировали химические реакции, которые могут создать воду в среде с низким содержанием кислорода. Оказалось, что при температуре около 27 градусов по Цельсию этот процесс чрезвычайно эффективен, и даже при недостатке кислорода может быть получено значительное количество воды.
«Вселенная была теплее, чем сегодня, и поэтому газовые облака не могли охлаждаться», — считает профессор Амиэль Штернберг из Тель-Авивского университета.
«Температура космического фонового излучения была намного выше. Плотность газа также была выше, чем сейчас», — добавляет профессор Ави Леб из Гарвардского университета.
Поскольку ультрафиолетовое излучение разрушает молекулы воды, потребовалось несколько сотен миллионов лет, чтобы достичь баланса между его образованием и распадом. Команда в своих исследованиях доказала, что такой же баланс существует и сегодня.
Также астрономы доказали, что можно производить большое количество газообразной воды без необходимости использования других тяжёлых элементов. Они рассчитали, сколько воды могло образоваться в молекулярных облаках, которые затем породили звёзды и планетные системы. В будущих исследованиях они обещали сосредоточиться на том, сколько воды в форме межзвёздного льда содержится в нашей галактике.
Как появилась вода на Земле: новая теория
Учёные из Университета штата Аризона выдвигают новую теорию о происхождении воды на нашей планете. По их мнению, кроме воды, принесённой на нашу планету астероидами и, возможно, кометами, на Земле может быть вода, которая поступила непосредственно из газов, оставшихся в окрестностях Солнца после его образования. Водород, накопленный в недрах нашей планеты, способствовал созданию водных масс.
Гипотеза, описанная в статье, опубликованной в «Журнале геофизических исследований: планеты», может помочь проанализировать процессы формирования внесолнечных планет, и оценить шансы на существование условий, способствующих возникновению там жизни.
Вопрос о том, откуда взялась вода на Земле, и как она сюда попала, по сей день не даёт учёным покоя. В настоящее время считается, что она была доставлена на нашу планету из космоса после падения на её поверхность астероидов и комет. Об этом свидетельствуют результаты исследований изотопов. Но, как утверждают учёные из Университета штата Аризона, это может быть только частью правды.
«Кометы содержат много льда и могут быть источником воды, а астероиды содержат совсем немного воды», — говорит профессор Стивен Деш.
«Вода состоит из водорода и кислорода. Поскольку на Земле много кислорода, практически любой источник водорода можно считать источником воды», — добавляет он.
Водород был ведущим компонентом солнечной туманности, из которой в конечном итоге образовалась наша звезда и планеты нашей системы.
Новый анализ показывает, что, по крайней мере, часть воды на Земле может поступать непосредственно из облаков пыли и газа, которые остались после того, как наша звезда сформировалась в так называемой солнечной туманности. Кроме того, благородные газы из-под поверхности Земли имеют изотопный состав, унаследованный от солнечной туманности.
Чтобы объяснить это, ученые сформулировали новую теоретическую модель формирования Земли. Согласно этому, миллиарды лет назад пропитанные водой астероиды стали появляться вокруг Солнца, в то время как большая часть газа и пыли осталась в форме солнечной туманности. Астероиды столкнулись и соединились вместе, создавая, среди прочего, планеты. Газы из солнечной туманности, включая водород и благородные газы, затем гравитационно притягивались к этим крупным объектам. Водород с более низким содержанием дейтерия, чем в воде, изначально присутствующей в астероидах, растворился в жидкой лаве и проник внутрь, а также в ядро из расплавленного железа. Водород, богатый дейтерием, остался на поверхности.
К счастью, похоже, что менять школьные учебники не нужно. Новая теория касается образования только около 2 процентов воды на Земле. Новая теория, однако, может иметь последствия для нашего понимания формирования планет вне Солнца и нашей оценки шансов, что в космосе будут созданы условия для возникновения жизни.
Источник
Откуда во Вселенной вода? Ответит телескоп Уэбба
Без воды не было бы жизни, но как она возникла во Вселенной? Для образования молекулы H₂O недостаточно просто смешать водород и кислород. Нужны ещё и специальные условия, которые возникают в межзвёздных молекулярных облаках. Здесь пыль блокирует разрушающий ультрафиолет и позволяет идти химическим реакциям.
Телескоп Джеймса Уэбба, который планируется запустить в 2020 году, позволит узнать больше об этих космических лабораториях и даст новые знания о процессе образования воды и других важных для возникновения жизни молекул.
Химическая лаборатория в космосе
Молекулярное облако — это смесь пыли, атомов водорода и разнообразных молекул, начиная с простейшей молекулы водорода H₂ и заканчивая сложной углеродосодержащей органикой. Именно здесь находится большая часть воды во Вселенной. Отсюда она попадает на зарождающиеся звёзды и их планеты.
На этой анимации показан изнутри протопланетный диск вблизи молодой звезды. В нём мелкие частицы пыли в течение многих тысяч лет аккумулируют на своей поверхности слой водяного льда. Впоследствии образовавшиеся снежинки слипаются и формируют планеты. © NASA/JPL-Caltech/R. Hurt
Образование молекул воды в молекулярных облаках происходит на поверхности пылинок. На них сначала оседают атомы водорода и кислорода, а затем возникает химическая связь между ними. Здесь же углерод, соединяясь с водородом, образует метан. А азот таким же образом — аммиак.
Все эти молекулы оказываются прицепленными к поверхности пылинок и формируют в течение миллионов лет слой льда. В результате образуются своеобразные снежинки, которые затем оседают на зарождающихся планетах. Так на потенциально обитаемые миры попадают вещества, необходимые для возникновения жизни.
Точный состав льда на пылинках, однако, неизвестен. Его изучение станет одной из главных задач самого дорогого в истории космического телескопа — «Джеймса Уэбба». Результаты этих исследований позволят ответить на вопрос, всякая ли звёздная система обладает достаточным количеством необходимых для жизни компонент.
Для определения химического состава молекулярных облаков «Уэбб» задействует свои основные инструменты — инфракрасные спектрографы высокого разрешения NIRSpec и MIRI. Их разрешающая способность в области ближнего и среднего ИК в пять раз выше, чем у существующих космических инструментов.
Молодые звёзды и колыбели комет
Первым объектом для изучения молекулярных облаков для «Уэбба» станет крупная область звёздообразования, называемая Комплексом в Хамелеоне. Она располагается на расстоянии около 500 млн световых лет от нас и содержит несколько сотен протозвёзд.
Источник
Мокрое место: откуда в нашей вселенной вода
1. Большой взрыв
Водород почти так же стар, как сама Вселенная: его атомы появились, как только температура новорожденной Вселенной упала настолько, что смогли существовать протоны и электроны. С тех пор водород уже 14,5 млрд лет остается самым распространенным элементом Вселенной и по массе, и по числу атомов. Облака газа, состоящие в основном из водорода, заполняют весь космос.
В 2011 году астрономы обнаружили в созвездии Персея молодую солнцеподобную звезду, извергавшую целые фонтаны воды. Ускоряясь в мощном магнитном поле звезды, молекулы H20 на скорости, в 80 раз больше скорости пулеметной пули, вырывались из недр звезды и, остывая, превращались в капли воды. Вероятно, такие выбросы молодых звезд – один из источников вещества, в том числе и воды, в межзвездном пространстве.
2. Первые звезды
В результате гравитационного коллапса облаков водорода и гелия появились первые звезды, внутри которых начался термоядерный синтез и образовались новые элементы, в том числе кислород. Кислород и водород дали воду; первые ее молекулы могли сформироваться сразу после появления первых звезд – 12,7 млрд лет назад. В форме очень рассеянного газа она заполняет межзвездное пространство, охлаждая его и таким образом приближая рождение новых звезд.
В 2011 году астрономы нашли самый большой космический резервуар с водой. Он обнаружился в окрестностях огромной и древней черной дыры в 12 млрд световых лет от Земли; воды в нем хватило бы, чтобы заполнить земные океаны 140 трлн раз! Но астрономов больше заинтересовало не количество воды, а ее возраст: ведь расстояние до облака указывает на то, что оно существовало, когда возраст Вселенной составлял одну десятую от нынешнего. А значит, уже тогда вода заполняла часть межзвездного пространства.
3. Вокруг звезд
Вода, присутствовавшая в породившем звезду облаке газа, переходит в вещество протопланетного диска и объектов, которые формируются из него, – планет и астероидов. В конце жизни самые массивные звезды взрываются сверхновыми, оставляя после себя туманности, в которых вспыхивают новые звезды.
Источник