В журнале Astrophysical Journal Letters принята к печати статья, которая приоткрывает завесу над тайной происхождения воды на Земле. Почему земная вода представляет собой научную проблему и о чем повествует статья, рассказывает замечательный астрохимик Дмитрий Вибе.
Один из ключевых вопросов современной космогонии — вопрос о происхождении земной воды. Земля формировалась слишком близко к Солнцу, чтобы наши водные запасы могли иметь первичное происхождение, — протопланетный диск в этой области предположительно был слишком горяч, чтобы вода могла переходить в твёрдую фазу. Поэтому земной океан должен был появиться позже, когда некие носители доставили воду на уже подостывшую планету. В качестве кандидатов на роль этих носителей изначально рассматривались кометы, что кажется вполне логичным, поскольку кометное ядро с давних принято описывать как «грязный лёд», и в первую очередь лёд водяной (замёрзшие оксид углерода, метан, азот, аммиак и прочие летучие соединения также, как правило, называют льдами).
Но затем выяснилось, что с кометами как прародительницами земного океана есть существенная проблема, заключающаяся в «неправильном» содержании так называемой полутяжёлой воды (HDO), то есть воды, в молекуле которой один из атомов «обычного» водорода (не оба!) замещён атомом тяжёлого водорода — дейтерия. В воде Мирового океана принятое содержание дейтерия составляет 1.55761 × 10–4 (это практически исключительно полутяжёлая вода с небольшой примесью тяжёлой воды, D2O). Эта величина почти на порядок превышает общее содержание дейтерия во Вселенной (2.7 × 10–5), оставшееся нам в наследство от Большого Взрыва, но это неудивительно. Хорошо известно, что при низких температурах (а именно такие температуры характерны для дозвёздного вещества и периферии протопланетных дисков) химические реакции с участием дейтерия идут преимущественно в сторону его накопления в более сложных молекулах. Молекула HDO не бог весть какая сложная, но её это тоже касается.
Космический аппарат «Джотто» и комета Галлея
Содержание дейтерированной воды в земном океане должно соответствовать её содержанию в тех телах, с которыми вода попала на Землю. Поэтому, чтобы найти источник земной воды, нужно определить содержание HDO в различных телах Солнечной системы и найти среди них подходящие по составу. Первые измерения отношения D/H в составе кометной воды были получены в результате исследования вещества, выбрасываемого кометой Галлея, при помощи космического аппарата «Джотто». Оказалось, что дейтерированной воды в этом веществе примерно в два раза больше, чем в Мировом океане. Затем при помощи субмиллиметровых телескопов CSO и JCMT были проведены наблюдения спектральной линии HDO в кометах Хякутакэ и Хейла-Боппа, и они также дали для содержания HDO результат, в два раза превышающий земное значение. Повышенное (по сравнению с земным) содержание HDO в кометах C/2002 T7 (LINEAR) и C/2001 Q4 (NEAT) было выведено из наблюдений продуктов фотодиссоциации этой молекулы D и OD при помощи телескопов им. Хаббла и VLT. Ещё более высоким оказалось содержание HDO, измеренное зондом «Розетта» вблизи кометы Чурюмова-Герасименко: 5.3 × 10–4, то есть более чем в три раза выше земного.
Ядро кометы Чурюмова-Герасименко, фото зонда Rosetta
Всё как будто бы указывает на то, что кометы не могут быть значимым источником земной воды. Эту точку зрения оказалось особенно легко принять, после того как нужное «земное» содержание полутяжёлой воды было найдено в хондритах. Казалось бы, кусочки мозаики сошлись, и источником земной воды нужно считать не кометы, а астероиды. Однако одновременно в других кометах содержание HDO оказалось вполне земным, как например, в комете Хартли (1.6 × 10–4), или, по крайней мере, незначительно превышающим земное (как в комете Хонда-Мркоса-Пайдушаковой). Иными словами, в кометных содержаниях HDO наблюдается большой разброс, и, прежде чем делать выводы о связи земной и кометной воды, нужно разобраться в причинах этого разброса.
Телескоп SOFIA
В статье, принятой в печать журналом Astrophysical Journal Letters, Дариуш Лис с коллегами сообщают об измерении содержания HDO в комете Виртанена при помощи инфракрасного телескопа SOFIA, который установлен на борту самолёта «Боинг-747». Наблюдения проводились в середине декабря 2018 года, когда комета прошла на расстоянии 0.08 а.е. от Земли. Измеренное содержание HDO оказалось почти точно земным — 1.61 × 10–4.
Авторы статьи обратили внимание на то, что комета Виртанена, а также кометы Хартли и Хонда-Мркоса-Пайдушаковой, относятся к категории «гиперактивных» комет, и решили проверить, нет ли связи между активностью кометы и содержанием в ней полутяжёлой воды. Чтобы определить степень активности кометы, то есть, соотношение между количеством выбрасываемого вещества и полной площадью ядра, нужно знать размер ядра. Комет с одновременно измеренными размерами ядра и содержанием HDO оказалось всего восемь, но этих данных уже достаточно, чтобы увидеть антикорреляцию: чем активнее комета, тем ниже доля дейтерированной воды в её веществе. Кроме того, гиперактивность проявляется только у комет с небольшими ядрами (радиус ядра менее 1.2 км). Это может быть связано с тем, что из маломассивных ядер вода не только улетучивается со всей поверхности ядра в виде газа, но и отрывается от ядра в виде пылинок и обломков кометного вещества, которые затем также сублимируют.
Комета Виртанена, 12 декабря 2018 года. Любительское фото
Эту антикорреляцию можно объяснить, если предположить, что вода (простая и полутяжёлая) появляется в окрестностях кометы двумя путями: в виде богатой дейтерием воды, испаряющейся с поверхности ядра, и в виде бедной дейтерием воды, покидающей ядро в виде твёрдых частиц различных размеров. В гиперактивных кометах работают оба источника, и потому относительное содержание HDO в них оказывается меньше.
Всё это очень хорошо, осталось только объяснить, почему именно дейтерированной воды должно быть больше в газе и меньше в твёрдом веществе, вылетающем из ядра кометы. Наземные эксперименты как будто показывают диаметрально противоположную картину: HDO более эффективно адсорбирует на пылинки, и потому этих молекул должно быть больше именно в твёрдой фазе.
В любом случае, независимо от причин полученные результаты показывают, что относительное содержание HDO в веществе, выбрасываемом кометами, может зависеть не только от места образования кометы (отражая тем самым распределение HDO по протопланетному диску), но и от размера кометы, и от степени её активности (которая может меняться со временем). Поэтому судить о том, были или нет кометы ключевыми поставщиками воды на Землю, по имеющейся крайне ограниченной выборке преждевременно.
Текст: Дмитрий Вибе
