Дмитрий Вибе: Немного холодной воды у солнца

Дмитрий Вибе: Немного холодной воды у солнца

Автор: Дмитрий Вибе

Опубликовано 28 октября 2011 года

Вода - основа жизни на Земле. Её роль в биохимических процессах неимоверно велика, и нам, безусловно, сильно повезло, что на нашей планете вода столь обильна. Поэтому интересно разобраться, откуда она взялась. Вопрос, можно сказать, фундаментальный. Рассматривая другие планетные системы, мы именно возможность существования жидкой воды считаем критерием их пригодности для жизни.

Ключевым (и наиболее раскрученным) понятием в этих поисках является так называемая "зона обитаемости" - интервал расстояний от родительской звезды, где температура планеты допускает наличие воды в жидкой фазе. Но благоприятная температура сама по себе ещё не гарантирует рек, озёр и морей. В "зоне обитаемости" жидкая вода может существовать, но есть ли она там? По идее, ответить на этот вопрос должны наблюдения. Но вот беда: излучение молекул воды приходится на субмиллиметровый диапазон, в котором земная атмосфера почти полностью непрозрачна. Причём это неслучайно: фотоны, порождённые космической водой, не успевая попасть на зеркало телескопа, перехватываются молекулами той же самой воды в земной атмосфере.

Выход очевиден: чтобы "увидеть" воду, телескоп нужно выводить в космос. Первая систематическая попытка найти внеземную воду по спектральным наблюдениям была предпринята при помощи космического телескопа SWAS (1998–2004). И эта попытка оказалась, по сути, неудачной. Точнее, SWAS нашёл воду, но в количествах, на порядки уступавших предсказаниям тогдашних астрохимических моделей. Решение загадки оказалось простым: в холодной межзвёздной среде вода примерзает к пылинкам, образуя на них ледяные оболочки. Поэтому в межзвёздных молекулярных облаках искать нужно не газообразную, а твёрдую воду.

Если же есть желание всё-таки наблюдать излучение водяного пара, то смотреть нужно в окрестности звёзд, где из-за высокой температуры и интенсивного поля излучения ледяные мантии пылинок начинают испаряться. Среди объектов, потенциально богатых газообразной водой, особый интерес вызывают газопылевые диски у молодых звёзд, похожих на Солнце, поскольку их изучение позволит (как все надеются) пролить свет на раннюю эволюцию Солнечной системы, в том числе и конкретно на происхождение земных запасов воды.

Разобраться с их происхождением "на месте", то есть в Солнечной системе, пока не получается. В качестве основной привязки в подобных исследованиях используется содержание дейтерия (D) относительно водорода (H), в первую очередь в "полутяжёлой" воде (HDO/H₂O). В земных океанах "водяное" отношение D/H составляет примерно 0,00016. Если мы оглянемся по сторонам и найдём объекты с таким же содержанием "полутяжёлой" воды, то можно будет считать, что именно благодаря столкновениям с этими объектами Земля и обогатилась влагой.

Определить отношение HDO/H₂O удалось лишь в немногих телах Солнечной системы. Долгое время считалось, что поставщиками земной воды были кометы, однако, например, в знаменитых кометах Галлея, Хиакутаке, Хейла-Боппа отношение D/H оказалось в два раза больше, чем на Земле. Это как будто указывает, что кометы на роль разносчиков воды не годятся. С другой стороны, все эти кометы - пришельцы с дальних окраин Солнечной системы. В близких кометах ситуация может быть иной. Совсем недавно (статья опубликована в журнале Nature за 13 октября) при помощи того же "Гершеля" было измерено относительное содержание полутяжёлой воды в комете Хартли-2 из семейства Юпитера, и оно практически совпадает с земным.

В общем, приходится признать, что толком проследить эволюцию воды в Солнечной системе, в частности пути её попадания на Землю, нам пока не удаётся. Впрочем, это и неудивительно: от героической эпохи формирования Земли и её соседок нас отделяют четыре с половиной миллиарда лет и замысловатая динамическая эволюция с неоднократным перебрасыванием вещества из центра системы к её границам и обратно.

В качестве альтернативы можно посмотреть на околозвёздные диски, где (как мы предполагаем) формирование планет либо едва стартовало, либо ещё даже и не начиналось. Именно поэтому среди всех наблюдательных программ телескопа "Гершель", посвящённых образованию звёзд и планет, больше всего времени было выделено проектам WISH (Вода в областях звёздообразования) и GASPS (Газ в протопланетных системах).

В рамках программы WISH первым объектом для поисков воды стал диск у звезды DM Тельца. Это довольно молодая система (её возраст составляет около 5 млн лет), в которой диск радиусом около 1000 астрономических единиц окружает небольшую звёздочку в половину солнечной массы. В этом диске, по наземным радионаблюдениям, зафиксировано наличие уже десятка молекул, поэтому логично было предположить, что и вода там тоже окажется. Однако на практике выяснилось, что хоть сколько-нибудь заметного излучения холодной воды в диске звезды DM Тельца "Гершель" не видит. Это означает, что водяного пара там, как минимум, в сотню раз меньше, чем предсказывают химические модели.

Да, тут нужно уточнить, что речь идёт именно о холодной газообразной воде, а не о паре в виде капелек. Горячую газообразную воду в таких дисках можно наблюдать при помощи телескопов инфракрасного диапазона, что делалось уже неоднократно. Однако она присутствует лишь в непосредственной близости от звезды, тогда как основная масса воды сосредоточена (или должна быть сосредоточена) в существенно более холодных внешних областях диска, в нашей Солнечной системе соответствующих поясу Койпера и даже облаку Оорта.

Именно этой холодной воды в диске DM Тельца и не оказалось. Эдвин Бергин с коллегами, проводившие наблюдения, предположили, что отсутствие воды может быть признаком начавшегося образования планет. Вообще, вода попадает в газ диска при испарении ледяных мантий пылинок ультрафиолетовым излучением звезды. Если пылинки в системе уже начали расти (первый шаг к образованию планет), то гравитация заставляет их оседать к тёмной экваториальной плоскости диска и уносить с собою воду (всё ещё в виде льда) из области действия ультрафиолета.

А вот следующая звезда программы - TW Гидры - принесла противоположный результат: прекрасно различимые спектральные линии воды и соответственно вполне солидное её содержание. Масса наблюдаемой холодной воды у звезды TW Гидры примерно в 200 раз меньше полной массы земных океанов, однако это даже не верхушка айсберга, а лёгкий туман над верхушкой. Небольшое количество холодной воды, испарённой с пылинок ультрафиолетовым излучением звезды, позволяет оценить массу воды в твёрдом состоянии. По оценкам Михеля Хогерхайде и его соавторов (http://arxiv.org/abs/1110.4600), в диске TW Гидры за лёгкой завесой пара скрывается лёд массой в несколько тысяч земных океанов (10²⁸ г).

В чём именно причина такого различия, навскидку сказать сложно. Звезда TW Гидры старше, чем DM Тельца; её возраст оценивается в 10 млн лет. Казалось бы, последствия роста пылинок в виде оседания ледяных частиц в защищённую от ультрафиолета срединную область диска должны проявляться здесь сильнее. С другой стороны, чем сильнее растут пылинки, тем прозрачнее становится диск. Возможно, в диске TW Гидры из-за роста пылинок срединная область уже не так надёжно закрыта от УФ-излучения, и потому испарением охвачена гораздо большая доля объёма диска. Да и светит TW Гидры в ультрафиолете раза в два ярче, чем DM Тельца.

Во всяком случае, смело можно сказать, что пока получается интересно. Из двенадцати дисков, включённых в программу WISH, изучено два, и результаты... не то чтобы взаимоисключающие, но заставляют задуматься! Такое отличие всегда хорошо. Оно вселяет надежду, что на эволюцию воды в будущей планетной системе действует какой-то сильный фактор, который будет относительно легко расшифровать. Осталось дождаться результатов по оставшимся десяти дискам!