Mi volt előbb, a tűz vagy a víz?

3391

Az ALMA antennarendszer adatai alapján vízgőzt detektáltak a V883 Orionis jelű csillag körüli bolygókeletkezési korongban. A felfedezés alapján elképzelhető, hogy a Földön található víz még a Napnál is idősebb.

„Most már a Nap kialakulása előtti időkig tudjuk visszakövetni a Naprendszerben található víz eredetét” – összegzi a felfedezés jelentőségét John J. Tobin, az NRAO (National Radio Astronomy Observatory, USA) csillagásza, a kutatás eredményeit bemutató szakcikk vezető szerzője.

A csillagok a csillagközi por- és gázfelhők összehúzódásával keletkeznek a felhők gravitációsan instabillá vált csomópontjaiban. A születő csillagok körül a felhők maradék anyagából ún. bolygókeletkezési korongok formálódnak, amelyekből aztán a csillagok létrejötte után néhány millió éven belül üstökösök, kisbolygók és végül nagybolygók, azaz teljes bolygórendszerek is kialakulnak. A Tobin által vezetett kutatócsoport az ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) antennarendszert használta a tőlünk 1300 fényév távolságban lévő V883 Orionis csillag körüli bolygókeletkezési korong tanulmányozására, a víz kémiai nyomjelzőinek detektálására és annak kiderítésére, hogy miként jut el az a csillagközi por- és gázfelhőkből a kialakuló bolygókra.

A vízmolekula összetételét valószínűleg majdnem mindenki álmából felriasztva is fújja: H2O, azaz a molekula két hidrogén- és egy oxigénatomból áll. A „közönséges” vízmolekulák számához viszonyítva jóval kisebb mennyiségben, de léteznek olyan vízmolekulák is, amelyekben például az egyik hidrogénatomot annak egyik izotópja, a deutérium helyettesíti. Mivel a közönséges víz és a deutériumot tartalmazó nehézvíz molekulái eltérő körülmények között jönnek létre, számarányuk jelzés arra nézve, hogy a vizsgált víztömeg mikor és hol keletkezett. A Naprendszerben például a közönséges víz és a nehézvíz aránya nagyon hasonló az üstökösökben és a Földön, ami azt sugallhatja, hogy a vizet az üstökösök szállították bolygónkra.

Művészi elképzelés a V883 Orionis csillagot övező bolygókeletkezési korongról. A korong külső tartományaiban a víz fagyott állapotban van, ezért ott nagyon nehezen detektálható. A korong belső részét azonban felfűtötte a fiatal csillag kitörése során felszabadult energia, így ott a víz már vízgőz formájában van jelen, és így detektálható. A kis betétképen a kétfajta vízmolekula látható: a közönséges vízmolekulát az oxigénatom mellett két hidrogénatom alkotja, a nehézvízben azonban az egyik hidrogénatomot annak nehezebb izotópja, a deutérium helyettesíti. (ESO/L. Calçada)

A víz útjának a csillagközi felhőkből a fiatal csillagokba, illetve később az üstökösökből a bolygókra vezető szakaszait már korábban is megfigyelték, eddig azonban hiányzott a két fázis közötti kapocs. „A V883 Orionis mutatja meg a hiányzó láncszemet” – mondja Tobin. „A csillag körüli korongban a víz összetétele nagyon hasonló ahhoz, mint ami a Naprendszer üstököseinél tapasztalható. Ez pedig megerősíti azt a feltevést, hogy a bolygórendszerekben, így a Naprendszerben található víz is sok milliárd éve, még a Nap születése előtt keletkezett a csillagközi térben, és nagyjából változatlan formában került az üstökösökbe és a Földre is.”

A víz detektálásához azonban némi szerencse is kell. „A bolygókeletkezési korongokban a víz nagy része fagyott állapotban, jég formájában van jelen” – magyarázza Margot Leemker, a Leideni Obszervatórium (Hollandia) PhD-hallgatója. A vízgőz a vízmolekulák rezgési és forgási állapotai közötti átmenetek során kibocsátott sugárzás alapján detektálható, ez azonban jóval bonyolultabb, ha a molekulák mozgását korlátozza az, hogy jéggé fagytak. A bolygókeletkezési korongok centrumának közelében, a csillag közvetlen környezetében a hőmérséklet elég magas ahhoz, hogy a víz itt a megfelelő halmazállapotban legyen, ezek a régiók azonban általában a por takarásában rejtőznek, és kiterjedésük is kicsi ahhoz, hogy távcsöveinkkel képet alkothassunk róluk.

Szerencsére a V883 Orionis esetében egy 2016-os tanulmány szerint a bolygókeletkezési korong szokatlanul magas hőmérsékletű, mivel a csillag kitörése során felszabadult energia felfűtötte. Így „a hőmérséklet kellően magas ahhoz, hogy a víz már ne jég, hanem vízgőz formájában legyen jelen, és így számunkra is detektálhatóvá váljon” – mondja Tobin.

A V883 Orionis körüli bolygókeletkezési korong ALMA-képei. Alul a bal oldali (narancssárga) a nehézvíz, a középső (zöld) a por, a jobb oldali (kék) pedig a szén-monoxid eloszlását mutatja. Mivel a víz a szén-monoxidnál magasabb hőmérsékleten kifagy, csak a csillaghoz közelebbi, melegebb tartományokban detektálható, ahol vízgőz formájában van jelen. Az összegzett képen (fent) a víz és a szén-monoxid közötti látszólagos rést a fényes poremisszió okozza, amely elnyomja a gáz sugárzását. (ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), J. Tobin, B. Saxton (NRAO/AUI/NSF))

A kutatócsoport a chilei Atacama-sivatag északi részén telepített ALMA antennarendszert használta a V883 Orionis körüli vízgőz detektálására. Az ALMA rendkívüli érzékenysége és felbontóképessége nem csak a detektálást és az összetétel meghatározását tette lehetővé, de a vízgőz korongbeli eloszlásának feltérképezését is. A kutatócsoport szerint a mérések alapján a V883 Orionis körüli bolygókeletkezési korongban legalább 1200-szor annyi víz van, mint a földi óceánokban.

A kutatók remélik, hogy a rendszert az ESO épülő Rendkívül Nagy Távcsövével (Extremely Large Telescope, ELT) és annak első generációs METIS (Mid-infrared ELT Imager and Spectrograph) műszerével is észlelhetik majd. A középinfravörös hullámhossztartományban működő műszer képes lesz a vízgőz kimutatására és vizsgálatára az ilyen típusú bolygókeletkezési korongokban, és újabb bizonyítékokkal támaszthatja alá a víznek a csillagközi por- és gázfelhőktől a bolygórendszerekig vezető útjára vonatkozó elképzeléseinket. „Az ELT-vel és műszereivel sokkal részletesebb képet kaphatunk majd a jégről és a gázról a bolygókeletkezési korongokban” – összegzi a kilátásokat Leemker.

Művészi elképzelés arról, hogyan alakul ki egy csillagközi por- és gázfelhőből egy csillag, körülötte egy bolygókeletkezési korong, majd végül abból egy teljes bolygórendszer. (ESO/L. Calçada)

Az eredményeket részletező szakcikk (Deuterium-enriched water ties planet-forming disks to comets and protostars, doi: 10.1038/s41586-022-05676-z) a Nature magazinban olvasható.

Forrás: eso2302 — Science Release

Hozzászólás

hozzászólás