Космическая пыль указала на древний резервуар воды в области пояса Койпера
Изотопный анализ частиц космической пыли, собранных в земной стратосфере, подсказал, что на окраине Солнечной системы существовал крупный резервуар воды с повышенным содержанием тяжелых изотопов кислорода. Согласно новому исследованию, вода из этого резервуара участвовала в образовании глинистых минералов внутри ледяных тел пояса Койпера, а доля кислорода-18 к кислороду-16 в этой воде могла быть значительно выше, чем в современных земных океанах.
В природе кислород представлен тремя стабильными изотопами — кислородом-16, кислородом-17 и кислородом-18. Помимо них, известны радиоактивные изотопы этого элемента, однако они нестабильны и быстро распадаются. Самый распространенный — кислород-16, входящий в подавляющее большинство молекул обычной воды. На Земле на его долю приходится 99,76 процента от всего природного кислорода. В значительно меньших количествах встречаются более тяжелые — кислород-17 и кислород-18.
Соотношение этих изотопов зависит от условий, в которых формировалось вещество. Например, когда вода взаимодействует с минералами, часть атомов кислорода из нее входит в состав новых соединений. Поэтому по изотопному составу таких минералов можно судить о воде, с которой они контактировали миллиарды лет назад.
В 2011 году ученые проанализировали ионы солнечного ветра, собранные аппаратом NASA Genesis, и пришли к выводу, что Солнце содержит относительно больше легкого кислорода-16, чем Земля и большинство метеоритов. Сопоставив полученные данные с результатами изучения метеоритов, специалисты предположили, что лед во внешних областях Солнечной системы мог быть обогащен тяжелыми изотопами кислорода.
Однако проверить гипотезу оказалось непросто. Главная проблема заключалась в нехватке образцов из этих удаленных областей космоса. Кроме того, на доступные образцы могли повлиять различные процессы: нагревание, контакт с окружающим газом и последующие изменения минерального состава. В результате они могли не сохранить первоначальное соотношение изотопов.
Недостаток такого материала могли бы восполнить частицы, происходящие от объектов пояса Койпера — области, расположенной за орбитой Нептуна. Там находятся тела, которые с момента формирования Солнечной системы подверглись сравнительно небольшим изменениям. Они отличаются от большинства астероидов тем, что наряду с горными породами и пылью содержат значительные количества водяного льда.
Забор и доставка образцов с окрестностей Нептуна потребовали бы сложной и дорогостоящей миссии. Поэтому команда американских планетологов под руководством Линдси Келлера (Lindsay Keller) из Космического центра имени Линдона Джонсона обратилась к материалу, который сам падает на Землю, — космической пыли. Ее частицы могут сохранять признаки химических реакций с участием воды, происходивших на родительских телах задолго до попадания в земную атмосферу.
Келлер и его коллеги хотели проверить, может ли космическая пыль, источником которой служит пояс Койпера, сохранить следы взаимодействия с древней водой, обогащенной кислородом-17 и кислородом-18. По мнению авторов научной работы, родительские тела этих частиц сформировались во внешней части протопланетного диска и избежали большей части высокотемпературных процессов, которым подвергалось вещество во внутренних областях газопылевого облака вокруг молодого Солнца.
Планетологи проанализировали 12 пылевых частиц диаметром от 10 до 30 микрометров, которые отличаются гладкой структурой и низкой пористостью. Их отобрали из каталога космической пыли NASA. Особое внимание уделяли радиационным следам — микроскопическим повреждениям, которые оставляют в веществе высокоэнергетические частицы, испускаемые Солнцем.
В предыдущих научных работах высокую плотность таких следов связывали с происхождением пыли от объектов пояса Койпера. В исследованных образцах обнаружили характерно большое количество этих следов, что позволило отнести их к той же группе частиц.
Во время работы с материалом команда подготовила ультротонкие срезы пылевых частиц толщиной примерно 50–70 нанометров, которые позволили определить минеральный и химический состав зерен, а также их строение и наличие следов космического облучения.
В изученных частицах преобладали гидратированные глинистые минералы, главным образом сапонит. В меньших количествах — серпентин. Это слоистые силикаты, которые образуются при взаимодействии воды с другими минералами. Получается, что пыль сохранила признаки химических реакций между водой и минералами, которое протекали на их родительских телах.
Исследователи измерили соотношения изотопов кислорода в 12 частицах и выявили «изотопный отпечаток», который отличался от значений, характерных для многих метеоритов, чьи минералы изменились под воздействием воды. Это говорит о существовании отдельного резервуара с другим изотопным соотношением.
Расчеты показали, что отношение кислорода-18 к кислороду-16 в древней воде, которая взаимодействовала с минералами космической пыли, могло быть примерно на 15,5 процента выше, чем в современной океанической воде. Правда, авторы научной работы подчеркнули, что это верхняя граница, полученная на основе модели, а не прямое измерение состава древнего льда.
Таким образом, планетологи получили свидетельства существования во внешней части ранней Солнечной системы отдельного резервуара воды, обогащенной тяжелыми изотопами кислорода. Ее изотопный состав отличался от воды, оставившей след в минеральном составе многих метеоритов. Вероятно, этот резервуар был слабо связан с внутренними областями протопланетного диска и оставался относительно изолированным. Результаты исследования помогут лучше понять, как распределялись различные изотопы кислорода в ранней Солнечной системе и какие химические процессы происходили за пределами орбит планет-гигантов.
Выводы исследователей представлены в журнале Science Advances.
Telegram 
Дзен 
VK 
