Astronomowie zbadali w kosmosie półciężką wodę w formie lodu

Półciężka woda, chemicznie oznaczana jako HDO, to forma wody, w której jedna z dwóch cząsteczek wodoru została zastąpiona deuterem – cięższym izotopem wodoru. Dla porównania, w tzw. ciężkiej wodzie obydwa atomy wodoru są zastąpione deuterem (D₂O), a zwykła woda zawiera dwa “zwykłe” atomy wodoru (H₂O). Obecność deuteru wpływa na właściwości fizyczne i chemiczne cząsteczki wody, a jego ślady są cennymi wskaźnikami procesów zachodzących w kosmosie.

Protogwiazda L1527 IRS – laboratorium wczesnego wszechświata

Lód zawierający półciężką wodę wykryto wokół protogwiazdy L1527 IRS, oddalonej od Ziemi o około 460 lat świetlnych. Gwiazda ta znajduje się w kierunku konstelacji Byka i przypomina warunki, jakie mogły panować w Układzie Słonecznym na bardzo wczesnym etapie jego formowania.

Pomiar obecności deuteru w wodzie pozwolił naukowcom porównać skład chemiczny tej protogwiazdy z kometami oraz z bardziej rozwiniętymi dyskami protoplanetarnymi. Wyniki wskazują na to, że woda w tym regionie kosmosu ma bardzo stare, zimne pochodzenie.

Świadek narodzin gwiazd

Według profesor Ewine van Dishoeck z Uniwersytetu w Lejdzie, wyniki te sugerują, że większość lodu wodnego w przestrzeni kosmicznej pozostaje niezmieniona od najwcześniejszych faz powstawania gwiazd aż po ich dojrzalsze etapy. Pomiar stosunku wody z deuterem do zwykłej wody jest więc narzędziem do śledzenia historii powstawania wody we wszechświecie.

Wysoka zawartość półciężkiej wody świadczy o tym, że powstała ona w bardzo zimnych warunkach, takich jak ciemne obłoki pyłu i gazu, które są kolebkami gwiazd.

Pochodzenie ziemskiej wody

Na Ziemi stosunek półciężkiej do zwykłej wody wynosi około jednej cząsteczki na kilka tysięcy. Podobne wartości obserwuje się w kometach i na lodowych księżycach w Układzie Słonecznym. Co ciekawe, jest to około dziesięć razy więcej niż można by oczekiwać na podstawie chemicznego składu Słońca.

To zjawisko doprowadziło do hipotezy, że część wody w naszym układzie pochodzi z czasów sprzed powstania Słońca – z zimnych obłoków molekularnych. Odkrycia wokół L1527 IRS wspierają tę teorię.

Nowe technologie, nowe możliwości

Obserwacji dokonano za pomocą Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST), który umożliwił po raz pierwszy dokładne pomiary półciężkiej wody w formie lodu, a nie tylko w stanie gazowym. Otrzymane dane pokazują, że poziom HDO wokół L1527 IRS jest nawet nieco wyższy niż w niektórych kometach czy oceanach Ziemi.

Różnice te mogą wynikać z odmiennych warunków chemicznych w obłokach, z których powstały Układ Słoneczny i protogwiazda L1527 IRS, bądź z ewolucyjnych zmian w samej wodzie naszego układu planetarnego.

Astronomowie planują kolejne badania, obejmujące obserwacje trzydziestu protogwiazd i ciemnych obłoków przy pomocy JWST oraz sieci radioteleskopów ALMA. Ich celem jest lepsze zrozumienie pochodzenia wody w kosmosie i odpowiedź na pytanie, skąd dokładnie pochodzi woda obecna na Ziemi.

Wyniki badań opublikowano w prestiżowym czasopiśmie „The Astrophysical Journal Letters”. Główną autorką publikacji jest Katerina Slavicinska – doktorantka z Obserwatorium w Lejdzie. Wśród współautorów znalazł się również Polak – Łukasz Tychoniec, absolwent Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Toruniu i obecnie badacz w Holandii.