Woda pojawiła się znacznie wcześniej, niż przypuszczaliśmy. To wynik śmierci pierwszych gwiazd

Spis treści:

1. Skąd wzięła się woda?
2. Co z tą wodą – nowe badania Brytyjczyków
3. Wirtualna supernowa kluczem do rozwiązania zagadki

Woda miała powstać później ze względu na brak cięższych pierwiastków, takich jak tlen. Jednak nowe symulacje wskazują, że młody Wszechświat mógł być zdolny generować wodę na wielką skalę.

Pytanie o pojawienie się wody we Wszechświecie jest jednym z najbardziej podstawowych zagadnień kosmologii. Na szczęście odeszliśmy od dominującej niegdyś hipotezy, iż woda jest czymś wyjątkowym w kosmosie poza naszą planetą.

Wiemy, że wody w kosmosie jest mnóstwo. W samym Układzie Słonecznym mamy kilka miejsc, w których wody jest więcej niż na Ziemi. Z pewnością księżyc Jowisza, Ganimedes posiada jej wielkie rezerwuary, dalej Europa, Enceladus i wiele innych ciał niebieskich.

Skąd wzięła się woda?

Przez lata badacze skłaniali się do kilku głównych hipotez dotyczących pojawienia się wody:

Pierwotna synteza wodoru i tlenu

Opiera się na ogólnej teorii nukleosyntezy Wielkiego Wybuchu, rozwiniętej przez George’a Gamowa, Ralpha Alphera i Roberta Hermana (lata 40. XX wieku).

Wodór powstał już w pierwszych minutach po Wielkim Wybuchu (ok. 13,8 mld lat temu), ale tlen pojawił się znacznie później – dopiero po kilku milionach lat, gdy pierwsze gwiazdy zaczęły go syntetyzować. Woda mogła zacząć powstawać po śmierci pierwszych gwiazd, czyli kilkaset milionów lat po Wielkim Wybuchu.

Reakcje chemiczne w obłokach molekularnych

Hipotezę tę rozwijali astrofizycy badający obłoki molekularne, m.in. Ewine van Dishoeck oraz Eric Herbst (lata 80. i 90. XX wieku).

Woda mogła formować się w obłokach molekularnych już ok. 200–500 mln lat po Wielkim Wybuchu, gdy powstały pierwsze pokolenia gwiazd i wzbogaciły przestrzeń międzygwiazdową w tlen.

Dostarczanie wody przez komety i planetoidy

Hipoteza ta była rozwijana już w XIX wieku (m.in. przez Richarda A. Proctora), ale dopiero w XX i XXI wieku potwierdziły ją badania izotopowe (m.in. Frank Robert i Katharina Lodders).

Woda w Układzie Słonecznym powstała razem z planetoidami i kometami, czyli ok. 4,6 mld lat temu. Na Ziemię mogła dotrzeć podczas Wielkiego Bombardowania, czyli ok. 4,1–3,8 mld lat temu.

Reakcje hydrotermalne w planetozymalach

Hipoteza rozwijana przez astrobiologów i geochemików, m.in. Lauretta Cody’ego i J. I. Goldsmitha.

Woda mogła uwalniać się w reakcjach hydrotermalnych na planetozymalach krótko po ich uformowaniu, czyli ok. 4,5–4,6 mld lat temu.

Synteza wody w wiatrach gwiazdowych i wybuchach supernowych

Hipoteza poparta obserwacjami teleskopowymi, m.in. zespołu Gary’ego Melnicka i Davida Neufelda.

Woda mogła powstawać w falach uderzeniowych supernowych już kilkaset milionów lat po Wielkim Wybuchu, gdy eksplodowały pierwsze gwiazdy masowe.

Co z tą wodą – nowe badania Brytyjczyków

Niedawno tematem zajęli się brytyjscy uczeni z grupy prowadzonej przez kosmologa Daniela Whalena z Uniwersytetu Portsmouth. Naukowcy odtworzyli cyfrowo eksplozje dwóch gwiazd przy użyciu parametrów wczesnego Wszechświata i odkryli, że środki do produkcji wody były obecne już 100 milionów lat po Wielkim Wybuchu.

– Nasze symulacje sugerują, że woda była obecna w pierwotnych galaktykach ze względu na jej wcześniejsze formowanie się w składowych ich galaktycznego halo – napisali naukowcy w swoim artykule opublikowanym na łamach „Nature Astronomy”.

Współcześnie wysoce metaliczne gwiazdy mają w swoich rdzeniach dużą ilość tlenu, ale pierwsze gwiazdy były zbudowane niemal w całości z wodoru i helu. Te wczesne gwiazdy prawdopodobnie były bardzo gorące i żyły wyjątkowo krótko. Właśnie to utrudniało astronomom uchwycenie ich śladów, ale możliwości Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST) pozwalają ujawnić pierwszy bezpośredni dowód ich istnienia.

Wirtualna supernowa kluczem do rozwiązania zagadki

Wirtualnej analizie eksplozji poddano dwie gwiazdy. Jedną 13 razy, a druga 200 razy masywniejszą od naszego Słońca. W ciągu pierwszej sekundy wirtualnej supernowej temperatury i ciśnienia były wystarczająco wysokie, aby stopić więcej gazów z byłej gwiazdy w tlen.

W następstwie tego kataklizmu wyrzucone gazy, rozciągające się na odległość 1630 lat świetlnych, zaczęły się ochładzać. Gwałtowne ochłodzenie nastąpiło szybciej niż materiał uległ koalescencji, powodując parowanie zjonizowanych cząsteczek wodoru, tworząc inny kluczowy składnik wody: wodór molekularny (H2).

Gdy cząsteczki te poruszały się, szczególnie w gęstszych obszarach halo supernowych, tlen zderzał się z wystarczającą ilością wodoru, aby uczynić Wszechświat mokrym.

Naukowcy sądzą, że gęstsze skupiska pozostałości po supernowych, z ich wyższym stężeniem metali, prawdopodobnie stały się również miejscem powstawania następnej generacji gwiazd wypełnionych cięższymi pierwiastkami i przyszłego formowania się planet.

– W dodatku wyższa zawartość metali może prowadzić do powstawania skalistych planet w dyskach protoplanetarnych z gwiazdami o niskiej masie – twierdzą Whalen i zespół.

Oznacza to, że potencjalne planety mogą również zawierać wodę.

Obliczenia zespołu sugerują, że ilość wody wytworzonej przez najwcześniejsze galaktyki mogła być tylko dziesięciokrotnie mniejsza niż ta, którą widzimy w naszej galaktyce dzisiaj. Oznacza to, że jednego z głównych składników życia było całkiem sporo już u zarania Wszechświata.

Źródła: Nature Astronomy, Science Alert

Nasza autorka

Ewelina Zambrzycka-Kościelnicka

Dziennikarka i redaktorka zajmująca się tematyką popularnonaukową. Związana z magazynami portali Gazeta.pl oraz Wp.pl. Współautorka książek „Człowiek istota kosmiczna”, „Kosmiczne wyzwania” i „Odważ się robić wielkie rzeczy”.