Een verbazingwekkende ontdekking onthult de oorsprong van water in ons zonnestelsel miljarden jaren vóór de zon

ALMA traceert de geschiedenis van water in planeetvorming tot het interstellaire medium

Waarnemingen van water in de schijf rond protoster V883 Ori hebben aanwijzingen opgeleverd over de vorming van kometen en kleine planeten in ons zonnestelsel.

Wetenschappers die een nabije protoster bestuderen, hebben water ontdekt in de omtreksschijf. De nieuwe waarnemingen die zijn gedaan met de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) vertegenwoordigen de eerste detectie van erfelijk water in een protoplanetaire schijf zonder significante veranderingen in de samenstelling. Deze bevindingen geven ook aan dat water in ons zonnestelsel miljarden jaren vóór de zon is ontstaan. De nieuwe waarnemingen werden op 8 maart gepubliceerd in het tijdschrift natuur.

Deze artist’s impression toont de planeetvormende schijf rond de ster V883 Orionis. Het water aan de buitenkant van de schijf is bevroren als ijs en is daarom niet gemakkelijk te detecteren. Een explosie van energie van de ster verwarmt de binnenste schijf tot een temperatuur waarbij water gasvormig is, waardoor astronomen het kunnen detecteren.
De inzetafbeelding toont de twee soorten watermoleculen die in deze schijf zijn bestudeerd: gewoon water, met één zuurstofatoom en twee waterstofatomen, en een zwaardere versie waarbij het waterstofatoom is vervangen door deuterium, een zware isotoop van waterstof.
Credits: ESO/L. Calzada

V883 Orionis is een protoster op ongeveer 1305 lichtjaar van de aarde in het sterrenbeeld Orion. Nieuwe waarnemingen van deze protoster hebben wetenschappers geholpen een mogelijk verband te vinden tussen water in het interstellaire medium en water in ons zonnestelsel door te bevestigen dat ze een vergelijkbare samenstelling hebben.

V883 Ori is een unieke protoster waarvan de temperatuur zo hoog is dat het water in de omringende schijf in gas is veranderd, waardoor radioastronomen de oorsprong van water kunnen traceren. Nieuwe waarnemingen met behulp van de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) zorgden voor de eerste bevestiging dat water in ons zonnestelsel mogelijk afkomstig is van dezelfde plaats als water in de schijven rond protosterren elders in het universum: het interstellaire medium. Credits: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), B. Saxton (NRAO/AUI/NSF)

“We kunnen het pad van water door het universum zien als een pad. We weten hoe de eindpunten eruit zien, namelijk water op planeten en kometen, maar we wilden dat pad terug traceren naar de oorsprong van water., hoofdauteur van het nieuwe paper.”Voorheen konden we de aarde associëren met kometen en protosterren met het interstellaire medium, maar we konden protosterren niet associëren met kometen. V883 Ori heeft dat veranderd en bewijst dat watermoleculen in dit systeem en in ons zonnestelsel een vergelijkbaar aandeel deuterium en waterstof hebben. “

Gebruik[{” attribute=””>ALMA, astronomers have detected the chemical signature of gaseous water in the planet-forming disc V883 Orionis. This acts as a timestamp for the water’s formation, allowing us to trace its journey. Credit: ESO

Observing water in the circumstellar disks around protostars is difficult because in most systems water is present in the form of ice. When scientists observe protostars they’re looking for the water snow line or ice line, which is the place where water transitions from predominantly ice to gas, which radio astronomy can observe in detail. “If the snow line is located too close to the star, there isn’t enough gaseous water to be easily detectable and the dusty disk may block out a lot of the water emission. But if the snow line is located further from the star, there is sufficient gaseous water to be detectable, and that’s the case with V883 Ori,” said Tobin, who added that the unique state of the protostar is what made this project possible.

V883 Ori’s disk is quite massive and is just hot enough that the water in it has turned from ice to gas. That makes this protostar an ideal target for studying the growth and evolution of solar systems at radio wavelengths.

Meestal is het water in de schijven rond protosterren in de vorm van ijs, dat zich soms over grote afstanden van de ster uitstrekt. In het geval van V883 Ori strekt de sneeuwgrens zich 80 eenheden uit vanaf de ster; Dit is 80 keer de afstand tussen de aarde en de zon, zoals weergegeven in deze animatie. Maar de temperatuur in V883 Ori is zo heet dat veel van het ijs in de schijf in gas is veranderd, waardoor radioastronomen dat water in detail kunnen bestuderen. Nieuwe waarnemingen met behulp van de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) onthullen dat water in de schijf van V883 Ori dezelfde basissamenstelling heeft als water op objecten in ons zonnestelsel. Dit geeft aan dat water in ons zonnestelsel miljarden jaren vóór de zon in het interstellaire medium werd gevormd. Credits: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), J. Tobin, P. Saxton (NRAO/AUI/NSF)

“Deze waarneming benadrukt de opmerkelijke mogelijkheden van het ALMA-instrument om astronomen te helpen iets te bestuderen dat zo belangrijk is voor het leven op aarde: water”, zegt Joe Pesci, programmamedewerker van de National Science Foundation bij ALMA. “Het begrijpen van de fundamentele processen die belangrijk voor ons zijn op aarde, en die tot ver buiten de melkweg te zien zijn, informeert ook onze kennis over hoe de natuur in het algemeen werkt, en over de processen die moeten plaatsvinden voordat ons zonnestelsel evolueert naar wat we kennen Vandaag.”

Om het water in de protoplanetaire schijf van V883 Ori te verbinden met dat in ons zonnestelsel, heeft het team de samenstelling ervan gemeten met behulp van ALMA’s zeer gevoelige Band 5 (1,6 mm) en Band 6 (1,3 mm) ontvangers en ontdekte dat het relatief onveranderd blijft tussen elke fase van de vorming van het zonnestelsel: Protostar, protoplanetaire schijf en kometen. Dit betekent dat het water in ons zonnestelsel lang voor de vorming van de zon, planeten en kometen werd gevormd. We wisten al dat er veel waterijs in het interstellaire medium zit. Onze resultaten laten zien dat dit water tijdens zijn vorming rechtstreeks in het zonnestelsel is opgenomen, zei Merrill van te Hoff, een astronoom aan de Universiteit van Michigan en een van de auteurs van het artikel. “Dit is opwindend omdat het aangeeft dat andere planetaire systemen ook aanzienlijke hoeveelheden water moeten hebben ontvangen.”

Tijdens het zoeken naar de oorsprong van water in ons zonnestelsel, hebben wetenschappers zich gevestigd op V883 Orionis, een unieke protoster op 1305 lichtjaar van de aarde. In tegenstelling tot andere protosterren is de circumstellaire schijf rond V883 Ori zo heet dat het water erin van ijs in gas is veranderd, waardoor wetenschappers de samenstelling ervan kunnen bestuderen met behulp van radiotelescopen zoals die van de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA ). Radiowaarnemingen van de protoster brachten de aanwezigheid van water (oranje), stofstrepen (groen) en moleculair gas (blauw) aan het licht, wat aangeeft dat het water op deze protoster sterk lijkt op het water op objecten in ons zonnestelsel, en mogelijk de dezelfde oorsprong. Credits: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), J. Tobin, B. Saxton (NRAO/AUI/NSF)

Het ophelderen van de rol van water in de ontwikkeling van kometen en kleine planeten is van cruciaal belang om inzicht te krijgen in hoe ons zonnestelsel is geëvolueerd. Hoewel wordt aangenomen dat de zon is gevormd in een dichte sterrenhoop en V883 Ori relatief geïsoleerd is zonder sterren in de buurt, hebben de twee één belangrijk ding gemeen: ze zijn beide gevormd in gigantische moleculaire wolken.

“Het is bekend dat het grootste deel van het water in het interstellaire medium zich als ijs vormt op de oppervlakken van kleine stofdeeltjes in wolken. Wanneer deze wolken onder hun eigen zwaartekracht instorten en jonge sterren vormen, komt het water terecht in de schijven eromheen. Uiteindelijk evolueren de schijven en klonteren de ijzige stofdeeltjes samen tot een nieuw zonnestelsel met planeten en kometen”, zegt Margot Lemker, astronoom aan de Universiteit Leiden en co-auteur van het artikel. “We hebben aangetoond dat het water dat in de wolken wordt geproduceerd dit pad bijna onveranderd volgt. Dus door naar het water in de schijf van V883 Ori te kijken, kijken we terug in de tijd en zien we hoe ons zonnestelsel eruit zag toen het veel jonger was .”

V883 Orionis is een protoster op ongeveer 1305 lichtjaar van de aarde in het sterrenbeeld Orion. Credits: ESO/IAU en Sky & Telescope

Tobin voegde eraan toe: “Tot nu toe is de waterketen vastgelopen in de ontwikkeling van ons zonnestelsel. V883 Ori is in dit geval de ontbrekende schakel en we hebben nu een ononderbroken keten in de waterketen van kometen en protosterren tot het interstellaire medium. ”

Voor meer informatie over deze ontdekking, zie Water op aarde is ouder dan onze zon.

Referentie: “Deuterium-verrijkt water bindt planeetvormende schijven aan kometen en protosterren” door John J. Tobin, Merrill L.R. Van Hove, Margot Lemker, Ewen F. Van Dishoek, Teresa Paneki-Carino, Kenji Furuya, Daniel Harsono, Magnus F Pearson, Elzidor Cleaves, Patrick D. Sheehan en Lucas Siza, 8 maart 2023, hier beschikbaar. natuur.
DOI: 10.1038/s41586-022-05676-z