Skąd się wzięła woda na Ziemi? Nowa hipoteza mówi o kosmicznej chmurze

Dotychczas naukowcy byli przekonani, że znajdująca się na Ziemi woda pochodzi głównie z asteroid lub komet, które zderzały się często z naszą planetą zwłaszcza w jej młodości. Ten scenariusz wymagał jednak specyficznej dynamiki i precyzyjnego „tańca” ciał niebieskich. Zespół badaczy z Obserwatorium Paryskiego we Francji, przedstawił alternatywne wyjaśnienie. „Ta teoria jest bardziej naturalna i prostsza. Nie potrzeba skomplikowanej historii Ziemi, gdzie musimy grać w bilard, popychając asteroidy lub komety w odpowiednim kierunku” – powiedział kierujący badaniami Quentin Kral w rozmowie z „New Scientist”.

Według opisanej w „Nature” koncepcji, młody Układ Słoneczny mógł zawierać wiele wczesnych, lodowych asteroid. Gdy około 20 mln lat po narodzinach Słońca jego jasność zaczęła gwałtownie rosnąć, energia słoneczna doprowadziła do szybkiej sublimacji lodów wodnych uwięzionych w tych obiektach. „Słońce mogło wytworzyć rozległą masę gazowej wody, ogrzewając asteroidy” – informują badacze. W efekcie powstał gigantyczny obłok pary wodnej, który utrzymywał się w Układzie Słonecznym miliony lat, po czym zaczął dryfować w kierunku jego wewnętrznych obszarów, dostarczając wodę na znajdujące się najbliżej Słońca planety, w tym Ziemię.

Dotychczasowe scenariusze oparte na impaktach asteroid wymagały długotrwałego i złożonego procesu, w ramach którego obiekty pochodzące z zewnętrznych i wewnętrznych obszarów Układu Słonecznego były poddawane procesowi “mieszania”. Nowa hipoteza eliminuje ten problem. Autorzy badań opracowali model, który pozwala ocenić, jak szybko gazowa woda może rozprzestrzeniać się ku Słońcu.

"Opracowaliśmy nowy model opisujący sublimację asteroid na skalach miliardów lat, uwzględniający zmienną jasność Słońca" – czytamy w publikacji. Następnie, korzystając ze specjalnych modeli komputerowych, symulowano ewolucję dysku gazowego, szacując, ile pary wodnej może trafić do stref, gdzie formowały się planety.

Badacze zwracają uwagę, że obserwowany na Ziemi stosunek izotopów wodoru (D/H) jest zbliżony do tego w asteroidach węglistych. "Nasz model pokazuje, że woda dostarczona w tej postaci może mieć ten sam stosunek D/H co w tych asteroidach” – podkreślają naukowcy.

Tym samym nowa koncepcja nie kłóci się z dotychczasowymi danymi izotopowymi, a jednocześnie nie wymaga precyzyjnie zaaranżowanych impaktów w późniejszej fazie ewolucji Układu Słonecznego.

W przeprowadzonych symulacjach zespół oszacował, że ilość wody dostarczonej w ten sposób może odpowiadać zasobom ziemskich oceanów. „Nasz scenariusz może wyjaśnić zawartość wody na Ziemi, uwzględniając poprawny stosunek D/H, a także na innych planetach i na Księżycu” – zaznaczają autorzy. Model sugeruje, że główny napływ wody miał miejsce między 20. a 30. milionem lat po narodzinach Słońca, kiedy jasność gwiazdy gwałtownie wzrosła i wywołała intensywną sublimację lodu w asteroidach.

Badacze sugerują, że ten pierwotny, parowy dysk wokół Słońca mógł zawierać ilość wody nawet trzykrotnie przekraczającą masę całej Ziemi. „W naszych obliczeniach około 50% tej pary wodnej ostatecznie osiada na planety” – podano w pracy. W ten sposób zarówno Ziemia, jak i Wenus, Merkury oraz Mars otrzymują znaczące porcje wody bez konieczności zakładania częstych zderzeń z obiektami zewnętrznymi. W przypadku Ziemi mechanizm ten mógłby w dużej mierze pokryć zapotrzebowanie na wodę wczesnego oceanu i hydrosfery.

Interesującym aspektem jest fakt, że nowy proces może tłumaczyć nie tylko ziemską wodę, ale też obecność lodu na Merkurym oraz wody na Marsie. „Nasz model pokazuje, że mechanizm ten może być uniwersalny i działać również w innych układach planetarnych” – czytamy w artykule. Badacze podkreślają, że wystarczy istnienie pierwotnych lodowych asteroid i późniejszy wzrost jasności centralnej gwiazdy, aby podobna dystrybucja wody mogła zachodzić w systemach pozasłonecznych.

Dysk tłumaczy także, skąd wzięła się woda na Księżycu. Naukowcy ustalili, że w wiecznie zacienionych, zimnych kraterach w regionach biegunowych naszego satelity, znajdują się wielkie ilości lodu, który potencjalnie może zostać wykorzystany przez przyszłych astronautów. „Zakładając, że część gazu osiadała później na powierzchni Księżyca, możemy wyjaśnić obserwowane znaczne ilości lodu w jego wiecznie zacienionych obszarach” – sugerują autorzy. Podobne wnioski dotyczą Marsa, gdzie szacowane dawne zasoby wody można w dużym stopniu powiązać z tym nowym mechanizmem dyfuzji gazu.

Poszukiwania wodnych dysków w innych układachNaukowcy podkreślają, że rozstrzygającym testem dla nowej hipotezy będzie wykrycie podobnych procesów w innych systemach planetarnych. „Dowodem na prawdziwość naszego scenariusza byłoby zaobserwowanie analogicznego procesu w pasach asteroid wokół młodych gwiazd” – wskazuje Kral. Możliwość obserwacji takich wodnych dysków daje m.in. położony na pustyni Atacama teleskop ALMA.

Autorzy zaznaczają, że nie jest konieczne precyzyjne dopasowanie parametrów: nawet niewielkie zmiany w masie pasa planetoid czy we właściwościach mechanicznych skorupy asteroid mogą prowadzić do podobnych efektów. „Pokazaliśmy, że ten dyskowy mechanizm dostarczania wody jest nieunikniony i bardziej prawdopodobny niż scenariusz zderzeniowy. Może to być proces uniwersalny, zachodzący również w układach pozasłonecznych” – podkreślają badacze.

Dzięki temu nowemu rozumieniu pochodzenia wody pojawia się wyjaśnienie, dlaczego warunki sprzyjające pojawieniu się płynnej wody i potencjalnie życia mogą być bardziej powszechne, niż dotychczas przypuszczano. Nowe obserwacje pozwolą w przyszłości zweryfikować tę hipotezę i ustalić, na ile powszechny jest ten proces poza granicami naszego Układu Słonecznego.