Den kosmiske vandsti afsløret af Herschel

I løbet af næsten fire års observation af kosmos, Herschel Space Observatory spores tilstedeværelsen af ​​vand. Med sin hidtil usete følsomhed og spektrale opløsning ved vigtige bølgelængder, Herschel afslørede dette afgørende molekyle i stjernedannende molekylære skyer, opdagede det for første gang i frøene til fremtidige stjerner og planeter, og identificerede leveringen af ​​vand fra interplanetarisk affald til planeter i vores solsystem.

Vand er afgørende for livet, som vi kender det på Jorden. Det dækker over 70 procent af vores planets overflade og er til stede i spormængder i atmosfæren. Selvom det kan virke rigeligt, især hvis vi ser på den blåhudede strækning af en sø, hav eller hav, vand er kun en mindre bestanddel af Jordens samlede masse.

Faktisk, det er slet ikke klart, om det vand, der i øjeblikket er til stede på vores blå planet, var der omkring tidspunktet for dets dannelse, 4,6 milliarder år siden, eller det blev leveret af senere påvirkninger af mindre himmellegemer.

Ifølge en af ​​de førende teorier til at forklare, hvordan solsystemet blev til, Jorden og de indre planeter var ekstremt varme og tørre i de første flere hundrede millioner år efter deres dannelse. I dette scenarie, vand blev først leveret til disse planeter senere ved voldsomme påvirkninger af små kroppe som meteoritter, asteroider, og/eller kometer – det resterende affald af den protoplanetariske skive, hvorfra planeterne og deres måner tog form.

Der er forskellige muligheder for at undersøge oprindelsen af ​​dette afgørende molekyle på vores planet, enten at følge sporene i vores kosmiske kvarter - solsystemet - eller kigge ind i stjernenes børnehaver, hvor analoger af vores sol og planeter bliver født.

ESA's Herschel Space Observatory, en ekstraordinær mission, der blev lanceret i 2009, og som observerede himlen ved langt infrarøde og sub-millimeter bølgelængder i næsten fire år, tog en omfattende tilgang, spore vand fra stjerner og planeter i formningen på tværs af vores Mælkevejs galakse til planeter og mindre solsystemlegemer i vores egen skovhals.

Vand i universet

Vand blev først opdaget i stjernedannende molekylære skyer i slutningen af ​​1960'erne. På det tidspunkt, det var det sjette interstellare molekyle, der blev identificeret, sammenlignet med de næsten 200, der hidtil er kendt.

Lige siden dens opdagelse, astronomer mistanke om, at vand ville være til stede i en række kosmiske miljøer. Trods alt, den består af de to mest forekommende reaktive elementer, der findes - brint, som går tilbage til Big Bang, og ilt, produceret i stjernernes ovne gennem universets historie.

Faktisk, vand er blevet observeret i himmelske objekter så forskellige som planeter, måner, stjerner, stjernedannende skyer, og endda ud over vores Mælkevej, i stjernernes vugger i andre galakser. Imidlertid, på grund af vanddampen i jordens atmosfære, at studere dette molekyle med astronomiske observationer er alt andet end trivielt.

Gennem årtierne, astronomer har brugt en lang række faciliteter til at studere vand i kosmos, fra jordbaserede observatorier i det tørre klima på bjergtoppe og luftbårne teleskoper til eksperimenter på stratosfæriske balloner og rumobservatorier og endda på rumfærgen. Langt fra vores planets fugtige miljø, et rumteleskop er naturligvis det ideelle værktøj til at undersøge kosmisk vand.

Den første satellit dedikeret til dette emne, ESA's infrarøde rumobservatorium (ISO), blev lanceret i 1995 og fungerede indtil 1998, kort efterfulgt af NASAs Submillimeter Wave Astronomy Satellite (SWAS) og Spitzer Space Telescope, og af den svensk-ledede, international Odin -satellit.

Ved at træde ind i denne længe etablerede tradition, Herschel skubbede søgen efter kosmisk vand til nye højder med et fænomenalt stykke hardware, Heterodyne -instrumentet til langt infrarødt (HIFI) - et af de tre instrumenter om bord.

For at afsløre tilstedeværelsen af ​​et molekyle i en kosmisk kilde, astronomer leder efter et sæt meget markante fingeraftryk, eller linjer, i kildens spektrum, som er forårsaget af rotation eller vibrationsovergange i molekylets struktur.

Disse linjer observeres inden for en strækning af det elektromagnetiske spektrum, dækker infrarød til mikrobølge bølgelængder, afhængigt af molekyletypen og dens temperatur. I tilfælde af vand, nogle af de mest interessante linjer - dem, der svarer til den laveste energetiske konfiguration af vanddamp, med andre ord dens jord eller 'kolde' tilstand - findes i det fjerninfrarøde og submillimeterområde, som er utilgængelige fra jorden.

Specielt designet til jagten på vand og andre molekyler, Herschels HIFI -instrument havde en hidtil uset spektral opløsning, der kunne målrette mod omkring 40 forskellige vandlinjer, hver kommer fra en anden overgang af vandmolekylet og dermed følsomme over for en anden temperatur.

I særdeleshed, i modsætning til sine forgængere, Herschel var følsom over for to forskellige overgange af grundens tilstand af vand, der svarer til de to 'spin' former af molekylet, kaldet ortho og para, hvor brintkernernes spins har forskellige orienteringer. Denne nøglefunktion gjorde det muligt for astronomer at bestemme de temperaturer, hvorunder vandet blev dannet, ved at sammenligne de relative mængder af ortho- og para-vand.

To af observatoriets nøgleprogrammer-Vand i stjerneformende områder med Herschel og vand og relateret kemi i solsystemet-dedikerede flere hundrede timer til jagten på kosmisk vand.

Udnytter de fremragende data indsamlet af HIFI, sammen med observationer udført med Herschels to andre instrumenter, Photodetector Array Camera and Spectrometer (PACS) og Spectral and Photometric Imaging Receiver (SPIRE), astronomer har været i stand til i høj grad at udvide vores forståelse af vandets rolle i universet.

Vand i forfædre til stjerner og planeter

Mens vanddamp i stjernedannende områder havde været kendt i et stykke tid, Herschel opdagede det, for første gang, i en præ-stjernekerne-en kold klump af tæt materiale, der senere bliver til en stjerne. Den præ-stjernelige kerne, kaldet Lynds 1544, er placeret i Taurus molekylære sky, et stort område af gas og støv, der inkuberer frøene til fremtidige stjerner og planeter.

Med Herschel-dataene, astronomer kunne også estimere mængden af ​​vanddamp i Lynds 1544 - svarende til over 2000 gange vandindholdet i Jordens oceaner. Vanddampen stammer fra iskolde støvkorn, antyder et reservoir med over tusind gange mere vand i form af is. Hvis nogen planeter skal dukke op omkring stjernen, der tager form fra denne kerne, det er sandsynligt, at noget af det vand, Herschel opdager, også vil finde vej til planeterne.

På vej til at blive stjerner, præstjernede kerner bliver ved med at hente materie fra deres overordnede sky, indtil de adskiller sig fra den, bliver til en protostjerne, et selvstændigt objekt, der kollapser under sin egen tyngdekraft. Normalt, en roterende skive af gas og støv - en protoplanetarisk skive - tager form omkring protostjerner, at levere materialet til dannelsen af ​​fremtidige planeter. Endelig, når atomreaktioner antændes i protostjernens kerne, modvirke sammenbruddet, en fuldgyldig stjerne er født.

Herschel har spottet vand i objekter, der spænder over alle stadier af stjernedannelse, herunder i et stort antal lavmasse protostjerner fundet i mange nærliggende stjernedannende områder.

For første gang, astronomer, der bruger Herschel, har opdaget kold vanddamp i en protoplanetarisk skive. Mens tidligere undersøgelser havde afsløret enten varmt vanddamp i den indre del af lignende diske, eller vandis i deres udkanter, Herschels observationer rettet mod skiven omkring den nærliggende unge stjerne TW Hydrae var de første til at identificere koldt vanddamp, ved temperaturer lavere end 100 K, i sådan en genstand.

Den kolde damp ser ud til at være placeret i et tyndt lag på mellemliggende dybder i skiven, hvor fordampning af gas og udfrysning af is finder en balance. Dataene angiver en lille mængde kold damp, svarende til omkring 0,5 procent af vandet i Jordens oceaner, men peger på et meget større reservoir af vandis - flere tusinde jordhav - i skiven.

Dette var det første bevis på, at store mængder vandis kan opbevares i forløberen for et planetsystem som vores eget, og bidrager dermed med flere beviser til at tackle puslespillet om vandets oprindelse på Jorden og andre planeter.

Vand i solsystemet

Udover at bevise, at vand er en vigtig bestanddel af stjerner og planeter siden deres tidlige dannelse, Herschel fulgte også dens spor hele vejen til vores lokale kvarter, solsystemet.

For at sammenligne vand, der findes i forskellige himmellegemer, astronomer analyserer den relative overflod af molekyler med en lidt anderledes sammensætning. Især, de ser på D/H -forholdet, sammenligner 'almindeligt' vand, sammensat af to hydrogen (H) og et oxygen (O) atomer, og halvtungt vand, hvor et af brintatomerne fremstår som deuterium (D), en isotopisk form med en ekstra neutron.

Før Herschel, denne måling var blevet udført på en håndfuld kometer, alle troede, at de stammer fra Oort -skyen i udkanten af ​​vores solsystem, og alle afslører de højere andele af deuterium til 'normalt' brint end det, der findes i Jordens oceaner. Disse resultater syntes at tyde på, at kometer - isnende rester af vores gamle protoplanetariske skive - ikke kunne have været kilden til vores planets vand, mens en bestemt klasse af meteoritter, kaldet Cl carbonholdige chondritter, besad det 'rigtige' D/H -forhold og syntes således at være den største synder.

I 2011 Herschels observationer af vand i Comet 103P/Hartley 2 genåbnede denne fascinerende debat. Denne måling var den første af sin art udført for en Jupiter-familie-komet – en klasse af kometer med baner styret af Jupiters tyngdekraft og med meget kortere periode i forhold til deres Oort-sky-modstykker – og afslørede, for første gang, vand med en deuterium til brintproportion svarende til den, der findes på vores planet.

Herschel bidrog med yderligere to observationer til debatten, at finde en Jupiter-Familie-komet (45P/Honda-Mrkos- Pajdušáková) med jordlignende vand, og en Oort-sky-komet (2009P1) med en anden blanding end vores planets vand.

Plottet blev tykkere, da ESA's Rosetta-mission nåede frem til Comet 67P/Churyumov-Gerasimenko i 2014 og prøvede vandindholdet i atmosfæren. Rosettas komet er også en Jupiter-familie, men, i modsætning til de to observerede af Herschel, det indeholder ikke jordlignende vand; tværtimod, det viste sig at have det højeste D/H-forhold, der nogensinde er målt for en komet.

Mens Rosetta afslørede, at ikke alle Jupiter-familiens kometer indeholder vand, der ligner det i vores planets oceaner, Herschels tidligere påvisninger havde vigtigt påpeget, at kometer med den rigtige sammensætning eksisterer, og nogle kan faktisk have bidraget til Jordens vandbudget. Faktisk, nuværende modeller indikerer, at en bred og forskelligartet række af mindre kroppe bidrog til den kritiske rolle at bringe vand til vores planet.

Andre steder i solsystemet, Herschel er gået så langt som at bekræfte, at mindst én komet har bidraget til at berige en anden planet - Jupiter - med vand. Ved at undersøge fordelingen af ​​vanddamp i stratosfæren på den gigantiske planet, astronomer fandt beviser for, at næsten det hele blev leveret af det berømte nedslag fra Comet Shoemaker-Levy 9 i 1994.

Efter vand i hele solsystemet, Herschel har fundet dette molekyle mange flere steder, fra dværgplaneten Ceres, den største krop i asteroidebæltet, til en kæmpe torus af vanddamp, der omgiver Saturn, som ser ud til at blive leveret af planetens lille måne Enceladus. Som afsløret af NASA/ESA/ASI Cassini -missionen, Enceladus udviser vandrøg fra det underjordiske hav, der lurer under dets iskolde skorpe.

Længere væk fra solen, Herschel afslørede stærkt reflekterende overflader på flere Trans-Neptunian Objects (TNO'er), hvilket indikerer, at vandis kan være til stede selv på disse gamle, fjerntliggende genstande. Mens TNO'er går tilbage til den tidlige dannelse af vores solsystem, astronomer har mistanke om, at deres lyse iskolde belægning kan være nyere - en spekulativ, men ikke uigennemførlig hypotese givet tilgængeligheden af ​​vand på ydre planeter som Uranus og Neptun, og på deres store måner. En sådan nylig belægning kan også tyde på, at overfladen af ​​disse længe tænkte 'døde' objekter faktisk kan være levende, som også fremhævet af in-situ observationer udført i 2015 af NASAs New Horizon-sonde af en anden TNO, dværgplaneten Pluto.

Outlook

Ud til meget større skalaer, ud over vores solsystem og Mælkevejens galaktiske grænser, Herschel har opdaget vand i mange andre galakser. Som allerede fremhævet af nogle af sine forgængere, fundene bekræfter dette altafgørende molekyls afgørende rolle i de processer, der fører til fødslen af ​​stjerner i hele kosmos.

I betragtning af dets kemiske sammensætning, vand er ikke overraskende allestedsnærværende i universet, og, efter Herschel, der er ikke længere nogen tvivl om, at kosmiske vandstier rækker langt, fra planeter til stjerner, og endda til det store interstellare rum.

Imidlertid, Herschel er kun begyndt at ridse overfladen af ​​det ordsprogede isbjerg, at have spottet vand i individuelle kosmiske kilder, i mange tilfælde, en af ​​slagsen. Disse spændende opdagelser kræver fremtidige undersøgelser for at følge op på Herschels observationer, at indsamle større prøver af hver type kilder for at undersøge vand og andre molekyler og dykke ned i de fysiske mekanismer, der ligger til grund for deres dannelse og levering på tværs af kosmos.