Новая теория объясняет, как вода впервые попала на Землю

Когда Земля только сформировалась, она была слишком горячей, чтобы удерживать лёд. Это означает, что вся вода на нашей планете должна была иметь внеземное происхождение. Исследования древних земных пород показывают, что жидкая вода существовала на Земле уже через 100 миллионов лет после образования Солнца — практически «мгновенно» по астрофизическим меркам.

Моя исследовательская группа недавно предложила новую теорию, объясняющую, как вода впервые прибыла на Землю. Наша статья опубликована в журнале Astronomy & Astrophysics.

Загадка возрастом в миллиарды лет

Астрофизики десятилетиями пытаются решить вопрос о появлении воды на молодой Земле. Одна из ранних гипотез предполагала, что вода Земли была прямым побочным продуктом формирования планеты, выделяясь из магмы при извержениях вулканов.

Однако эта гипотеза изменилась в 1990-х годах после анализа состава земной воды и открытия потенциальной роли ледяных комет, указывающих на внеземное происхождение. Астероиды, расположенные в поясе между Марсом и Юпитером, также были предложены в качестве возможных источников.

Изучение кометного и астероидного вещества через метеориты дало ключевые данные. Анализ соотношения D/H (дейтерия к стандартному водороду) показал, что земная вода больше соответствует воде «углистых» астероидов, несущих следы прошлой воды. Это сместило фокус исследований на эти астероиды.

Недавние исследования были сосредоточены на поиске небесных механизмов, которые могли доставить эти богатые водой астероиды на сухую поверхность ранней Земли. Было предложено множество теорий, объясняющих «возмущение» планетезималей — крупных ледяных тел в поясе астероидов и поясе Койпера. Эти сценарии предполагают гравитационные взаимодействия, которые выбросили эти объекты, направив их к Земле. Такие события требовали сложного процесса «гравитационного бильярда».

Более простая гипотеза

Я исходил из предположения, что астероиды изначально являются ледяными, выходя из своего «кокона» формирования — протопланетного диска. Этот массивный, богатый водородом диск, наполненный пылью, окружает всю зарождающуюся планетную систему. Когда этот защитный кокон рассеивается (через несколько миллионов лет), астероиды нагреваются, и их лёд сублимируется. В космосе, где давление близко к нулю, вода после этого процесса остаётся в виде пара.

Затем диск водяного пара накладывается на пояс астероидов, вращающийся вокруг Солнца. По мере сублимации льда диск наполняется паром, который из-за сложных динамических процессов распространяется внутрь, к Солнцу. По пути этот паровой диск встречает внутренние планеты, погружая их в своего рода «ванну». Таким образом, диск «поливает» планеты земной группы: Марс, Землю, Венеру и Меркурий. Большая часть этого захвата воды произошла через 20–30 миллионов лет после образования Солнца, в период, когда светимость Солнца резко возросла за короткое время, увеличив скорость дегазации астероидов.

Как только вода захватывается гравитацией планеты, могут происходить многие процессы. На Земле, однако, защитный механизм (водный цикл) обеспечил относительно постоянную общую массу воды с конца периода захвата и до сегодняшнего дня.

Количества воды на Земле, как прошлые, так и настоящие, хорошо задокументированы. Наша модель, которая начинается с дегазации льда из первоначального пояса астероидов, успешно объясняет количество воды, необходимое для формирования океанов, рек и озёр, и даже воды, погребённой глубоко в мантии Земли. Точные измерения соотношения D/H в океанах также согласуются с нашей моделью. Более того, модель объясняет количества воды, присутствовавшей в прошлом на других планетах — и даже на Луне.

Эта новая теория возникла из недавних наблюдений, особенно выполненных с помощью ALMA — радиоинтерферометра из более чем 60 антенн в Чили. Наблюдения за внесолнечными системами с поясами, подобными поясу Койпера, показывают, что планетезимали в этих поясах сублимируют монооксид углерода (CO). Для поясов, расположенных ближе к своей звезде, таких как пояс астероидов, CO слишком летуч, и более вероятно высвобождение воды.

Построение модели

Именно эти данные положили начало формированию теории. Более того, недавние данные миссий «Хаябуса-2» и OSIRIS-REx, исследовавших астероиды, подобные тем, что могли способствовать формированию первоначального парового диска, предоставили ключевое подтверждение.

Эти миссии, наряду с давними наблюдениями с наземных телескопов, выявили значительное количество гидратированных минералов на этих астероидах — минералов, которые могут образоваться только при контакте с водой. Это подтверждает предпосылку, что эти астероиды изначально были ледяными.

Следующим шагом стала разработка численного моделирования для отслеживания дегазации льда, рассеивания водяного пара и его захвата планетами. Во время этих симуляций быстро стало ясно, что модель может объяснить запасы воды на Земле. Дополнительные исследования прошлых количеств воды для Марса и других планет земной группы подтвердили применимость модели и к ним.

Теорию необходимо проверить в более широком масштабе. Хотя теперь невозможно обнаружить первоначальный паровой диск, который «поливал» планеты земной группы, мы можем обратиться к внесолнечным системам с молодыми поясами астероидов, чтобы увидеть, существуют ли там такие диски водяного пара. Согласно нашим расчётам, эти диски, хотя и слабые, должны быть обнаружимы с помощью ALMA. Наша команда только что получила время на ALMA для поиска свидетельств их существования в конкретных системах.

Мы, возможно, находимся на заре новой эры в понимании происхождения земной воды.