Пересмотр данных о комете 67P, собранных почти десять лет назад, позволяет предположить, что кометы могли оставить на Земле гораздо больше воды, чем считалось ранее.
Идея о том, что кометы доставляли воду на раннюю Землю, в последнее десятилетие утратила популярность, но новый взгляд на данные, полученные в ходе миссии Европейского космического агентства (ЕКА) «Розетта» на комету «резиновая уточка», вновь открыл эту возможность.
Вода имеет довольно простой химический состав: всего три атома (два атома водорода и один атом кислорода) в каждой молекуле. Это также одна из самых распространённых молекул на Земле: в океанах нашей планеты содержится около миллиона триллионов тонн этой жидкости.
Однако то, как вся эта вода оказалась на Земле, остаётся загадкой. Некоторые учёные считают, что, хотя геологические процессы на Земле могли создать лишь малую её часть, большая часть воды, вероятно, была принесена кометами или астероидами в результате многократных катастрофических столкновений.
Чтобы выяснить, какая из этих двух групп несёт ответственность, нужно определить особый химический признак, который возникает из-за того, что водород в воде существует в двух разных изотопах, или формах. В то время как большинство атомов водорода содержат в своём ядре только один протон, в небольшой части содержится дополнительный нейтрон. Химический признак заключается в измерении количества этого более тяжёлого изотопа водорода, называемого дейтерием, по отношению к его более лёгкой, обычной форме — это количество называется отношением дейтерия к водороду, или D/H.
«Соотношение D/H в воде говорит нам о том, при какой температуре образовался лёд, а значит, насколько далеко от Солнца сформировалась комета», — Кэтлин Мандт, планетолог из НАСА и соавтор нового исследования, описывающего повторный анализ. Чем ниже значение D/H, тем дальше от Солнца образовался астероид или комета.
Исследования, проведённые за последние несколько десятилетий, показали, что соотношение D/H на Земле такое же, как у многих астероидов и нескольких комет семейства Юпитера — группы комет, которые пролетают мимо Солнца примерно каждые 20 лет и траектории которых корректируются гравитацией Юпитера.
Но значение D/H кометы 67P/Чурюмова-Герасименко, определённое в ходе исследования, проведённого в 2015 году, по сути, положило конец спорам о кометах. Среднее значение D/H, полученное в результате 150 измерений, проведённых в ходе миссии «Розетта» Европейского космического агентства в 2014 году, когда космический аппарат приблизился к комете 67P, примерно в три раза превышало значение для Земли. Исследователи интерпретировали это как доказательство того, что кометы вряд ли могли доставить воду на Землю.
По словам Мандт, результаты были ошеломляющими, потому что значение D/H было намного выше, чем у других комет семейства Юпитера. Кроме того, «в комете должно быть намного больше CO [угарного газа] и N2 [азота], чем измерила «Розетта», потому что эти льды также образуются при очень низких температурах».
Чтобы понять, почему у кометы 67P такое высокое соотношение D/H, Мандт и другие астрономы из исследовательских институтов США, Франции и Швейцарии решили проанализировать все данные Rosetta. Используя инновационную статистическую методику, разработанную Джейкобом Люстиг-Ягером из Лаборатории прикладной физики Университета Джонса Хопкинса, команда определила сигналы, исходящие только от молекул воды, содержащих дейтерий, что позволило им сопоставить около 4000 измерений соотношения D/H.
Исследователи обнаружили, что значения D/H сильно варьируются вдоль длинной оси кометы: самые высокие значения наблюдаются вблизи «ядра» — каменистой части, напоминающей резиновую уточку, — и уменьшаются по направлению к хвосту.
Такое изменение, вероятно, происходит из-за процессов, происходящих внутри кометы. По мере приближения кометы к Солнцу её поверхность нагревается, что приводит к выбросу газа вместе с покрытыми льдом частицами пыли в кому (ореол, образующийся вокруг ядра). Предыдущие, не связанные с этим лабораторные исследования показали, что лёд, содержащий дейтерий, имеет тенденцию прилипать к частицам пыли сильнее, чем обычный лёд. Ученые поняли, что такие частицы пыли, попадая в кору, могут объяснять высокие значения D/H, зафиксированные там.
Однако исследователи отметили, что частицы пыли примерно в 75 милях (120 километрах) от ядра существенно высушены, что означает отсутствие какого-либо обогащенного дейтерием льда, который мог бы генерировать ложно высокие значения D / H. Используя только данные, собранные на этом расстоянии, авторы подсчитали, что фактическое значение D / H у кометы 67P всего в 1,5 раза больше, чем у Земли.
Пересмотренное значение D/H означает, что «все кометы семейства Юпитера, которые мы смогли измерить, имеют D/H, близкое к D/H воды на Земле», — сказала Мандт. Это означает, что кометы сыграли важную, а не второстепенную роль в орошении Земли. Кроме того, добавила она, более низкое значение D/H говорит о том, что комета 67P родилась ближе к Солнцу, чем думали учёные.