Woda jest niezbędna do życia, jakie znamy. Jednak naukowcy debatują, w jaki sposób dotarł do Ziemi i czy te same procesy mogą zasiać skaliste egzoplanety krążące wokół odległych gwiazd. Nowe spostrzeżenia mogą pochodzić z układu planetarnego PDS 70, znajdującego się 370 lat świetlnych stąd. Gwiazda zawiera zarówno wewnętrzny, jak i zewnętrzny dysk gazu i pyłu, oddzielone szczeliną o szerokości 5 miliardów mil (8 miliardów kilometrów), w której znajdują się dwie znane gazowe olbrzymy.
Nowe pomiary wykonane przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba MIRI (Mid-Infrared Instrument) wykryły parę wodną w wewnętrznym dysku układu, w odległości mniejszej niż 100 milionów mil (160 milionów kilometrów) od gwiazdy – regionu, w którym mogą formować się skaliste planety typu ziemskiego. (Ziemia krąży 93 miliony mil od naszego Słońca.) Jest to pierwsze wykrycie wody w obszarze lądowym dysku, o którym wiadomo już, że zawiera dwie lub więcej protoplanet.
„Widzieliśmy wodę w innych dyskach, ale nie tak blisko i w układzie, w którym obecnie gromadzą się planety. Nie mogliśmy wykonać tego typu pomiarów przed Webbem” – powiedziała główna autorka Giulia Perotti z Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) w Heidelbergu w Niemczech.
„To odkrycie jest niezwykle ekscytujące, ponieważ bada region, w którym zwykle formują się skaliste planety podobne do Ziemi” – dodał dyrektor MPIA Thomas Henning, współautor artykułu. Henning jest głównym badaczem MIRI (Mid-Infrared Instrument) Webba, który dokonał wykrycia, oraz głównym badaczem programu MINDS (MIRI Mid-Infrared Disk Survey), który zebrał dane.
Parne środowisko do formowania się planet
PDS 70 to gwiazda typu K, chłodniejsza niż nasze Słońce, której wiek szacuje się na 5,4 miliona lat. Jest to stosunkowo stare, jeśli chodzi o gwiazdy z dyskami tworzącymi planety, co sprawiło, że odkrycie pary wodnej było zaskakujące.
Z czasem zawartość gazu i pyłu w dyskach planetotwórczych maleje. Albo promieniowanie gwiazdy centralnej i wiatry wydmuchują taką materię, albo pył rośnie w większe obiekty, które ostatecznie tworzą planety. Ponieważ poprzednie badania nie wykryły wody w centralnych obszarach podobnie starych dysków, astronomowie podejrzewali, że może ona nie przetrwać ostrego promieniowania gwiazdowego, co prowadzi do suchego środowiska do formowania się planet skalistych.
Astronomowie nie wykryli jeszcze żadnych planet tworzących się w wewnętrznym dysku PDS 70. Widzą jednak surowce do budowy skalistych światów w postaci krzemianów. Wykrycie pary wodnej sugeruje, że jeśli formują się tam skaliste planety, to woda będzie dla nich dostępna od samego początku.
„Znaleźliśmy stosunkowo dużą ilość małych ziaren pyłu. W połączeniu z wykryciem pary wodnej wewnętrzny dysk jest bardzo ekscytującym miejscem” – powiedział współautor Rens Waters z Radboud University w Holandii.
Jakie jest pochodzenie wody?
Odkrycie rodzi pytanie, skąd wzięła się woda. Zespół MINDS rozważał dwa różne scenariusze, aby wyjaśnić swoje odkrycie.
Jedną z możliwości jest to, że cząsteczki wody tworzą się w miejscu, w którym je wykrywamy, gdy łączą się atomy wodoru i tlenu. Druga możliwość jest taka, że pokryte lodem cząsteczki pyłu są transportowane z chłodnego dysku zewnętrznego do gorącego dysku wewnętrznego, gdzie lód wodny sublimuje i zamienia się w parę. Taki system transportowy byłby zaskakujący, ponieważ pył musiałby przekroczyć dużą szczelinę wyrzeźbioną przez dwie gigantyczne planety.
Kolejnym pytaniem podniesionym przez odkrycie jest to, jak woda może przetrwać tak blisko gwiazdy, kiedy światło ultrafioletowe gwiazdy powinno rozbić cząsteczki wody. Najprawdopodobniej otaczający materiał, taki jak kurz i inne cząsteczki wody, służy jako tarcza ochronna. W rezultacie woda wykryta w wewnętrznym dysku PDS 70 mogła przetrwać zniszczenie.
Ostatecznie zespół użyje jeszcze dwóch instrumentów Webba, NIRCam (kamera bliskiej podczerwieni) i NIRSpec (spektrograf bliskiej podczerwieni), aby zbadać system PDS 70 w celu uzyskania jeszcze lepszego zrozumienia.
Obserwacje te zostały wykonane w ramach programu Obserwacji w czasie gwarantowanym 1282. Odkrycie to zostało opublikowane w czasopiśmie Nature.