Вода покрывает 70 процентов поверхности Земли. Но если поверить классическим моделям, на нашей планете ее не должно быть. Новые данные, полученные в британской лаборатории, заставляют пересмотреть все, что мы знали о формировании Земли и о шансах найти жизнь за её пределами.
Наша планета – голубой оазис в космической пустыне. Реки, океаны, озера покрывают ее поверхность. Но классическая модель формирования Солнечной системы предсказывала обратное. Ранняя Земля возникла в раскаленной внутренней области протопланетного диска. Любая вода, попавшая сюда из холодных межзвездных просторов в виде льда, должна была немедленно разложиться под действием тепла и радиации молодого Солнца на атомы водорода и кислорода.
Сухая пыль – вот строительный материал Земли. Более того, чудовищный удар гипотетической протопланеты Тейи, породивший Луну около 4.5 миллиардов лет назад, должен был испарить воду на всей планете. Казалось невозможным, чтобы хоть капля влаги уцелела. И все же, сегодня мы видим 1.3 миллиарда кубических километров воды только в океанах. Откуда она?
Долгое время ученые полагали, что вода попала на нашу планету уже после образования Земли. Ее якобы доставили кометы и астероиды, сформировавшиеся на холодных окраинах Солнечной системы, где лед мог сохраниться. Интенсивная бомбардировка молодой Земли и Луны космическими телами должна была принести не только драгоценные металлы, но и воду. Следы этой бомбардировки отчетливо видны на лунной поверхности в виде кратеров.
Однако эта гипотеза дала трещину. В 2014 году зонд "Розетта" детально изучил комету 67P/Чурюмова-Герасименко. Анализ показал: ее вода имеет "неправильный" изотопный состав. Все химические элементы существуют в виде изотопов – атомов с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов, что влияет на их массу. Ключевой показатель – соотношение обычного легкого водорода (протия, H) к его тяжелому изотопу дейтерию (D) в молекуле воды H₂O. Соотношение D/H в воде кометы 67P не совпало с земным. Последующие поиски кометы или астероида с "правильной" водой и нужным набором других элементов, доставленных в период поздней бомбардировки, не увенчались успехом. Ни один известный объект не подходил.
Наука уперлась в стену: вода не могла быть изначально частью Земли, не могла пережить удар Тейи, и не была занесена известными нам кометами или астероидами. Тупик.
Разгадку искали в камнях, рожденных в недрах Земли. Образцы из Гренландии и острова Баффин (Канада), поднятые на поверхность миллионы лет назад горячими потоками мантии (мантийными плюмами), содержали крошечные пузырьки газа. Эти пузырьки – капсулы времени, сохранившие образцы атмосферы молодой Земли.
Исследователи из Открытого Университета в Милтон-Кейнсе (Великобритания) создали уникальный инструмент – сверхточный масс-спектрометр. Этот сложный агрегат размером с небольшой автомобиль способен измерять изотопный состав микроскопических образцов горных пород с беспрецедентной точностью. Ученые сравнили изотопный состав кислорода в древних земных породах и лунных образцах, доставленных миссиями "Аполлон". Цель – разрешить давний спор: идентичен ли изотопный состав Земли и Луны? Теория гигантского столкновения предсказывала полное перемешивание вещества и одинаковый состав.
Точные измерения выявили крошечное, но статистически значимое различие. Однако ученые показали: это различие легко объясняется воздействием того самого "позднего этапа бомбардировок". До них изотопные составы Земли и Луны были идентичны. Это подтвердило теорию их общего происхождения от удара Тейи.
Но анализ данных дал неожиданный бонус – ключ к тайне воды. Ученые рассчитали: если бы большая часть земной воды прибыла после формирования Луны (во время "позднего этапа"), изотопные различия между Землей и Луной были бы гораздо существеннее. Фактические данные указывают на обратное: не менее 70% современной земной воды присутствовало на планете ДО гигантского столкновения, породившего Луну.
Это казалось немыслимым. Как вода пережила испарение планеты? Новые компьютерные модели, например, разработанная Робином Канупом (Юго-Западный исследовательский институт, Техас) в 2015 году, показывают: гигантское облако пара после удара могло обладать достаточной гравитацией, чтобы удержать часть испаренной воды. Более того, вода могла пережить и предыдущий адский период – катархей. Высокие температуры на поверхности молодой Земли не обязательно уничтожили всю влагу. Часть воды могла быть химически связана в минералах глубоко в мантии. Другая гипотеза предполагает, что к моменту удара Земля уже остыла настолько, что на ней сформировалась тонкая первичная кора, способная "запечатать" часть поверхностной воды.
Следующее открытие поразило еще больше. Исследования изотопного состава водорода (D/H) в воде комет, астероидов, планет и даже межзвездной среды выявили странную закономерность. Межзвездный лед содержит очень высокую долю дейтерия (D) – следствие экстремально холодных условий и бомбардировки космическими лучами. Оказалось, что все объекты Солнечной системы также обладают аномально высоким содержанием дейтерия в своей воде по сравнению с тем, что должно было образоваться внутри протопланетного диска под лучами молодого Солнца.
Почему? Моделирование ранней Солнечной системы, проведенное группой Илзе Кливз (Гарвард-Смитсоновский центр астрофизики), дало сенсационный ответ. Ученые искали зоны в протопланетном диске, где могла бы синтезироваться вода с таким высоким содержанием дейтерия. Таких зон не нашлось. Вывод стал ошеломляющим: значительная часть воды в Солнечной системе, включая земную, не образовалась внутри диска вокруг молодого Солнца. Она пришла из межзвездного пространства. Это значит, что наша вода старше самого Солнца.
Как лед пережил путешествие в раскаленную внутреннюю часть формирующейся системы? Кливз предполагает существование короткого "окна возможностей". После того как молодое Солнце немного остыло, но до того как начали формироваться планеты, межзвездный лед мог проникнуть внутрь протопланетного диска. Он смешался с пылью и стал строительным материалом для планет, включая Землю, до того, как солнечная радиация смогла его полностью уничтожить.
Post Scriptum
Земля родилась в раскаленной зоне Солнечной системы, где вся вода должна была разрушиться. Потом ее чуть не испарил удар, создавший Луну. И вода из известных нам комет/астероидов "не подходит" химически. Откуда тогда океаны?
Новые точные анализы древних камней показали, что больше 70% нашей воды уже было на Земле до удара, создавшего Луну! Она каким-то образом пережила адские условия.
Изучив "химическую подпись" воды (соотношение обычного и тяжелого водорода) по всей Солнечной системе и в космосе, ученые пришли к шокирующему выводу: значительная часть земной воды (и воды других планет!) не образовалась вокруг молодого Солнца. Она пришла из межзвездного пространства!
Последствия для астробиологии грандиозны. Если межзвездная вода смогла уцелеть на Земле, несмотря на все катаклизмы, значит, она могла сохраниться и в других планетных системах. Наблюдения космического телескопа NASA "Спитцер" уже обнаружили водяной пар во внутренних, самых горячих частях протопланетных дисков вокруг молодых звезд DR Тельца и AS 205A, на расстоянии более 350 световых лет. Это доказывает: вода доступна формирующимся планетам с самого начала их истории.
Более того, новое понимание устойчивости воды к катастрофам (вроде удара Тейи) заставляет пересмотреть и критерии обитаемости экзопланет. Планеты, пережившие бурную молодость с мощными столкновениями, не обязательно безводные пустыни. Шансы найти миры, богатые древней межзвездной водой, а значит, и потенциально пригодные для жизни, резко возросли. Вселенная, возможно, гораздо "влажнее", чем мы думали.
Новая теория – мощный и элегантный кандидат на решение многовековой загадки происхождения земной воды. Она объединяет данные из геологии, планетологии и астрофизики. Однако, как и любая революционная идея, она нуждается в дальнейшем строгом тестировании, новых данных (особенно с других планет и астероидов) и независимом подтверждении. Пока это лучшая из имеющихся гипотез, но не окончательная истина.
-----
Смотрите нас на youtube. Еще больше интересных постов на научные темы в нашем Telegram.
Заходите на наш сайт, там мы публикуем новости и лонгриды на научные темы. Следите за новостями из мира науки и технологий на странице издания в Google Новости