Starożytny zbiornik wody daleko od Ziemi. "Pył zdradził tajemnicę"

Wszystko wskazuje na to, że w odległych rejonach Układu Słonecznego istnieje ogromny rezerwuar lodu zawierającego nietypową odmianę wody.

Chodzi o obszar za orbitą Neptuna, gdzie znajduje się pas Kuipera. To rozległe skupisko lodowych obiektów, będących pozostałościami po narodzinach naszego układu planetarnego. Przez miliardy lat przechowywały one materiał, który nie uległ tak intensywnym przemianom jak materia bliżej Słońca.

Takie są wnioski z bardzo ciekawych badań zespołu kierowanego przez naukowca NASA Lindsay'a P. Kellera opublikowanych w czasopiśmie Science Advances. Ich wyniki dostarczają jednych z najbardziej przekonujących dotąd dowodów na istnienie odrębnego rezerwuaru wody w zewnętrznym Układzie Słonecznym.

Więcej na Spider's Web:

Pas Kuipera znajduje się za orbitą Neptuna, czyli w odległości ponad 30 jednostek astronomicznych od Słońca. Jedna jednostka astronomiczna to średnia odległość Ziemi od naszej gwiazdy, wynosząca około 150 mln km.

Znajdujące się tam obiekty są zupełnie inne niż typowe planetoidy z pasa planetoid między Marsem a Jowiszem. Zamiast dominacji skał i metali mamy do czynienia przede wszystkim z lodem wodnym, zamarzniętym metanem i amoniakiem, wymieszanymi ze skałami oraz pyłem. Wśród mieszkańców tego regionu znajdują się zarówno niewielkie ciała o rozmiarach kilku czy kilkudziesięciu kilometrów, jak i znacznie większe obiekty, w tym Pluton.

Dla astronomów pas Kuipera jest czymś w rodzaju zamrażarki z początków Układu Słonecznego. Materiał znajdujący się tak daleko od Słońca nie był poddawany tak intensywnemu ogrzewaniu i przetwarzaniu jak substancje w wewnętrznych rejonach układu planetarnego. Dzięki temu może przechowywać informacje o warunkach panujących ponad 4,5 mld lat temu, kiedy dopiero formowały się planety.

Od dawna podejrzewano, że lód w tej części Układu Słonecznego może mieć nietypowy skład. Szczególną uwagę zwracała woda zawierająca większe ilości ciężkich izotopów tlenu. Problem polegał na tym, że zdobycie próbek z tak odległego regionu jest niezwykle trudne.

Znajdowano wprawdzie ślady podobnej wody w minerałach jednego z pierwotnych meteorytów oraz w materiale związanym z kometą 67P/Czuriumow-Gierasimienko, ale nie było jasne, czy obserwacje te odzwierciedlają powszechną właściwość zewnętrznego Układu Słonecznego.

Naukowcy znaleźli jednak znacznie sprytniejsze rozwiązanie. Zamiast lecieć po próbki za orbitę Neptuna, postanowili poszukać ich tutaj, na Ziemi.

Zespół Kellera przeanalizował więc 12 mikroskopijnych ziaren pyłu międzyplanetarnego. Materiał został zebrany z ziemskiej stratosfery przez samoloty NASA. Takie cząstki podróżują przez przestrzeń kosmiczną i wchodzą w atmosferę naszej planety, dostarczając próbek materii pochodzącej z odległych zakątków Układu Słonecznego.

Zebranie pyłu kosmicznego to jedno. Odrębną sprawą jest jeszcze ustalenie, skąd dokładnie pochodziły zebrane cząstki. W tym celu naukowcy wykorzystali między innymi mikroskopię elektronową, analizę chemiczną oraz precyzyjne pomiary składu izotopowego tlenu.

Najważniejsze okazały się charakterystyczne ślady pozostawione przez wysokoenergetyczne cząstki emitowane przez Słońce. Promieniowanie tego rodzaju bombarduje materię znajdującą się w przestrzeni kosmicznej. Może pozostawiać w ziarnach mikroskopijne uszkodzenia, przypominające blizny po podróży przez kosmos.

Wcześniejsze badania wykazały, że szczególnie duża gęstość takich śladów może wskazywać na pochodzenie pyłu z rejonu pasa Kuipera. Materiał znajdujący się daleko od Słońca jest bowiem wystawiony na działanie cząstek energetycznych przez bardzo długi czas, zanim zostanie włączony w większe obiekty lub trafi w inne środowisko. Analiza 12 próbek wykazała dużą koncentrację tego rodzaju śladów.

Najbardziej intrygujący wynik dotyczy proporcji izotopów tlenu. Analizowane ziarna miały skład izotopowy wyraźnie odmienny od tego, który obserwuje się w znanych meteorytach.

Woda występuje w przyrodzie w kilku odmianach izotopowych. Jądro tlenu zawiera osiem protonów, ale liczba neutronów może być różna. Najpowszechniejszy jest tlen-16, którego jądro zawiera osiem neutronów. Istnieją jednak również cięższe izotopy, takie jak tlen-17 z dziewięcioma neutronami oraz tlen-18 z dziesięcioma.

Stosunek ilości poszczególnych izotopów tlenu jest dla badaczy jak odcisk palca. Może bowiem zdradzić, w jakich warunkach powstała dana substancja i jakie procesy zachodziły w jej otoczeniu. Właśnie dlatego naukowcy od lat próbują ustalić, czy woda z odległych rejonów Układu Słonecznego ma inny skład izotopowy niż ta występująca bliżej Słońca.

Badacze nie mogli oczywiście pobrać bezpośredniej próbki pierwotnej wody, ponieważ od dawna nie występuje ona w badanych ziarnach w swojej pierwotnej postaci. Zamiast tego wykorzystali skład chemiczny minerałów i obliczenia pozwalające odtworzyć właściwości cieczy, która doprowadziła do ich powstania.

Wyniki wskazują, że pierwotna woda mogła mieć stosunek tlenu-18 do tlenu-16 nawet o około 15 proc. wyższy niż w wodzie oceanicznej na Ziemi. To znacząca różnica, wskazująca na istnienie odrębnego rezerwuaru wody w zewnętrznym Układzie Słonecznym.

Wyniki badań pokazują, jak wiele informacji można wydobyć z materiału, który na pierwszy rzut oka wygląda jak zwykły pył.