太阳系中的水,可能比太阳本身还古老
水 ,是地球生命赖以生存的重要源泉。与此同时, 水对于恒星和行星的形成,也至关重要。
在一项新发表于《自然》杂志的研究中,科学家利用 阿塔卡马大型毫米/亚毫米波阵 (ALMA) ,在我们附近的 猎户V883 的星周盘中,发现了水的存在。
难以探测的水
当气体和尘埃云坍缩时,它的中心会形成一颗 原恒星 。在原恒星周围,来自云中的物质会形成一个星周盘 。在几百万年的时间里,星周盘中的物质会聚集在一起,形成彗星 、小行星 ,以及行星 。
气体和尘埃云坍缩,最终形成行星系统。(图/ESO/L. Calçada)
想要在原恒星周围的星周盘中寻找水的踪迹,是件非常棘手的事。因为 在大多数的星周盘中,水都是以冰的形式存在的,难以被探测 。
相比之下, 气态水更容易被探测 ,因为气态分子在旋转和振动时可以发出辐射;而固态形式下的被冻结的水分子,其运动更受限制,使探测也更加困难。
一般来说,气态水可以在离星周盘中心很近的地方找到,因为那里更温暖。然而,这些区域通常又会被尘埃盘所隐藏,难以被望远镜观测到。
寻找雪线
当科学家想要观测原恒星中的水时,他们会寻找所谓的 雪线 (或冰线) 。这条线标志着水从主要是冰转为气体的位置。
这张图片显示了原恒星的雪线。年轻恒星的爆发会将雪线推移到离恒星更远的地方。(图/ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/L. Cieza)
如果雪线距离原恒星太近,就没有足够多可以被轻易探测到的气态水,而且充满尘埃的星周盘可能会阻隔掉大量的水的辐射。但如果雪线位于离原恒星较远的地方,那么就有足够多可以被探测到的气态水。
猎户V883的情况正是如此。猎户V883是一个原恒星系统,距离地球约1305光年之远。 它有着很大的星周盘,其雪线从恒星延伸到80AU的距离外,也就是80倍日地距离。而与此同时,它的温度又足够高,可以让星周盘中的大部分冰冰变成气体 。
位于猎户座的原恒星猎户V883。(图/IAU/Sky & Telescope)
H₂O : HDO
水通常由一个氧原子和两个氢原子 (H₂O) 组成。这次,天文学家研究了一种稍微重一点的水 ( HDO ) 的形式,这种水中的一个氢原子会被氘(D,氢的一种重同位素) 所取代。
该艺术构想图勾勒了猎户V883与它的最外层的水被冻结成冰的星周盘,中间部分代表的是恒星爆发巨大的能量,将星周盘内部的水加热到气态。图中图代表了星周盘中的水。(图/ESO/L. Calçada)
H₂O和HDO是在不同的条件下形成的,二者之比,或者说 氢和氘之比 可被用来追踪水的形成时间和地点。例如,在太阳系中,一些的彗星上的水的氢和氘之比,与地球上的水的氢和氘之比相似,这表明彗星可能曾向地球输送过水。
利用ALMA的射电望远镜,科学家对这颗原恒星进行了观测 (如下图) 。他们观测到了水 (橙色) 、连续的尘埃介质 (绿色) 和分子气体 (蓝色) ,并发现 那里的水与太阳系中的水,具有相似的氘和氢之比 。
因为与一氧化碳相比,水在更高的温度下结冰,所以它只能在离恒星更近的地方以气态的形式被检测到。水和一氧化碳在成像上的明显差距,实际上是由于尘埃发出的明亮辐射造成的,它会减弱气体的发射。(图/ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), J. Tobin, B. Saxton (NRAO/AUI/NSF))
相似的起源
在这项最新发现之前,科学家可以将地球与彗星联系起来,将原恒星与星际介质联系起来,唯独没能将原恒星与彗星联系起来。猎户V883改变了这一点。
在新的论文中,研究人员总结道,他们认为星周盘直接从恒星形成的云中"继承"了这些水。接着,这些水与一些大型的冰质天体 (比如彗星) 结合,所以并没有发生实质性的化学变化。而星周盘中的水与太阳系中的彗星上的水非常相似,这证实了这样一种观点:我们太阳系中的水,可能与这颗原恒星的星周盘中的水一样,来自宇宙中的星际介质 。换句话说,我们太阳系中的水,可能形成于太阳诞生的几十亿年之前。
参考来源:
https://public.nrao.edu/news/water-v883-orionis/
https://www.eso.org/public/news/eso2302/
https://www.eso.org/public/news/eso1626/
来源:原理
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