NCU News
Exact sciences
Kosmiczna podróż wody
Międzynarodowy zespół astronomów pod kierunkiem prof. Ewine van Dishoeck z Uniwersytetu w Lejdzie, do którego należy dr Agata Karska z Wydziału Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej UMK, przygotował pracę o pochodzeniu wody w nowych, potencjalnie możliwych do zamieszkania światach.
Długo oczekiwany przegląd opisuje podróż wody z obłoków międzygwiezdnych do światów mieszkalnych. Artykuł opublikowano w prestiżowym czasopiśmie "Astronomy&Astrophysics". Oczekuje się, że będzie on służył jako praca źródłowa przez następne 20 lat.
Woda w procesie formowania się gwiazd
Jeszcze 10 lat temu nie było wiadomo, jak i gdzie tworzy się woda w przestrzeni międzygwiezdnej i w jaki sposób dociera ostatecznie do planety takiej jak Ziemia. Jednym z powodów braku takiej wiedzy było to, że para wodna w naszej własnej atmosferze wpływa na wyniki obserwacji prowadzonych z zastosowaniem naziemnych teleskopów. W 2009 r. Europejska Agencja Kosmiczna (ESA) wysłała w przestrzeń kosmiczną teleskop obserwujący w dalekiej podczerwieni, Herschela, który działał do roku 2013.
Jednym z zadań teleskopu było badanie wody w przestrzeni kosmicznej. Szczególnie ważnym jego elementem był instrument HIFI skonstruowany pod kierownictwem naukowców holenderskich, znany także jako "łowca cząsteczek". W ostatnich latach opublikowano dziesiątki artykułów naukowych napisanych na podstawie zebranych przez teleskop Herschela danych o wodzie. Obecnie rezultaty tych badań są łączone i poszerzane o nowe spostrzeżenia.
Nowe studium opisuje drogę, jaką przebywa woda w procesie tworzenia się gwiazd z uwzględnieniem etapów pośrednich, które dotychczas przyciągały mniej uwagi. W publikacji pokazano, że większość wody tworzy się w postaci lodu na drobnych cząstkach pyłu w zimnych obłokach międzygwiezdnych. Gdy obłok zapada się, dając początek nowym gwiazdom lub planetom, woda ta jest w dużej mierze zatrzymywana poprzez osadzanie się na cząstkach pyłu o rozmiarach kamyków. W dysku rotującym wokół młodej gwiazdy owe kamyki tworzą następnie większe struktury, z których powstają nowe planety.
Ponadto, naukowcy obliczyli, że w większości nowych układów planetarnych wody jest tyle, że wystarczyłoby jej na wypełnienie kilku tysięcy oceanów.
Fascynujące jest uzmysłowienie sobie, że cząsteczki zawarte w szklance pitnej wody w większości powstały ponad 4,5 miliarda lat temu w obłoku, z którego narodziło się nasze Słońce i planety - tłumaczy prof. Ewine van Dishoeck.
Wiele z wcześniejszych danych pozyskanych za pomocą teleskopu Herschela dotyczyło pochodzenia gorącej pary wodnej, której wysoką obfitość obserwuje się w otoczeniu powstających gwiazd. Taka gorąca woda jest uwalniana w przestrzeń przez intensywne wypływy z młodych gwiazd. Pełni jednak bardzo ważną rolę w zrozumieniu procesów fizycznych zachodzących wokół młodych gwiazd. Dr Agata Karska z Wydziału Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej UMK, członek zespołu WISH, pokazała wraz ze współpracownikami powszechność występowania gorącej wody wokół protogwiazd (Karska et al. 2018, ApJS, 235, 30). Jej obecność powiązała z "opalaniem się protogwiazd", czyli oświetlaniem gazu w wypływach molekularnych przez promieniowanie ultrafioletowe. To energetyczne promieniowanie nie jest wytwarzane przez młode gwiazdy podobne do naszego Słońca w przeszłości i jego istnienie było dotychczas postulowane tylko wokół masywnych gwiazd.
W trakcie pisania pracy przeglądowej naukowcy uzyskiwali coraz głębszy wgląd w tematykę związaną z chemią zimnej pary wodnej i lodu. Byli m.in. w stanie wykazać, że międzygwiezdny lód narasta na cząstkach pyłu, warstwa po warstwie. Wniosek ten wynika ze słabych sygnałów od ciężkiej wody (HDO i D2O zamiast H2O).
Na nowe dane poczekamy 20 lat
Naukowcy mają nadzieję, że w przyszłości będą zdolni do szerszego badania wody we wszechświecie, a w szczególności w tworzących się systemach planetarnych. Może to jednak jeszcze trochę potrwać, ponieważ wysłanie następnego teleskopu kosmicznego porównywalnego z Herschelem jest planowane nie prędzej niż na rok 2040.
Istniała szansa, że tak zwany wodny teleskop wróci w przestrzeń kosmiczną około roku 2030, ale niestety zrezygnowano z realizacji projektu. Szkoda, ale stanowi to dodatkowy powód, dla którego nasz zespół napisał tę pracę - tłumaczy prof. Ewine van Dishoeck.
Ponadto, pod koniec 2021 r. wysłany zostanie teleskop kosmiczny Jamesa Webba, w którym zostanie umieszczony instrument MIRI zbudowany we współpracy europejsko-amerykańskiej. Urządzenie to pozwoli zbadać tę część mapy drogowej wody, która obecnie pozostaje poza zasięgiem. MIRI będzie miało możliwość wykrycia obecności ciepłej pary wodnej w najgłębszych obszarach pyłowych dysków.
Herschel pokazał już, że dyski tworzące planety są bogate w wodę w postaci lodu. Z pomocą MIRI możemy podążać tym szlakiem, aby dotrzeć w obszary, w których formują się planety takie jak Ziemia - wyjaśnia prof. Michiel Hogerheijde z Uniwersytetów w Lejdzie i Amsterdamie, współautor publikacji.
Za pomocą teleskopu ALMA w Chile można obserwować parę wodną w Kosmosie z Ziemi. Dotyczy to nawet tak odległych galaktyk, w których linie wody są przesunięte w porównaniu z atmosferą Ziemi.
- Dzięki temu, co pozostawił nam Herschel możemy dużo lepiej interpretować dane pozyskane za pomocą ALMA – dodaje kolejny ze współautorów, prof. Lars Kristensen z Uniwersytetu w Kopenhadze.
O kosmicznym teleskopie Herschel
Herschel był teleskopem Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA) zbudowanym we współpracy z NASA. Instrumenty HIFI i PACS wykorzystane były do badania wody. HIFI został zaprojektowany i zbudowany przez konsorcjum instytutów i wydziałów uniwersyteckich z Europy, Kanady i Stanów Zjednoczonych pod kierownictwem Holenderskiego Instytutu Badań Kosmicznych (SRON Netherlands Institute for Space Research, the Netherlands), z dużym wkładem ze strony Niemiec, Francji i USA. Instrument PACS został opracowany przez konsorcjum instytutów i uniwersytetów europejskich, pod kierownictwem Instytutu Fizyki Pozaziemskiej im. Maxa Plancka w Niemczech. Ewine van Dishoeck kierowała badaniami nad wodą w ramach programu WISH (Water in Star-forming regions with Herschel).
