Космическая пыль рассказала о «тяжелой воде» на краю Солнечной системы: что нашли ученые в поясе Койпера

Далеко за поясом астероидов, за Нептуном, находится пояс Койпера — область, где сохранились ледяные тела, избежавшие большей части процессов, происходивших с объектами ближе к Солнцу. В отличие от каменистого и металлического пояса астероидов, объекты пояса Койпера состоят в основном из замерзшей воды, метана и аммиака, смешанных с камнями и пылью.

Ученые давно предполагали, что в дальних уголках Солнечной системы есть первобытные запасы воды, обогащенной более тяжелыми изотопами кислорода, но доказательств не хватало. Теперь группа исследователей нашла убедительные свидетельства в космической пыли, попавшей в атмосферу Земли. Исследование опубликовано в Science Advances.

Три изотопа кислорода и «тяжелая вода»

Кислород имеет три стабильных изотопа. Легкий кислород — восемь протонов и восемь нейтронов, более тяжелые варианты — восемь протонов и либо девять, либо десять нейтронов. С тяжелыми изотопами образуется своего рода «тяжелая вода».

Следы такой воды находили в минералах одного примитивного метеорита и в комете 67P. Но оставалось неясным, была ли тяжелая вода более распространена во внешней части Солнечной системы или этим находкам есть другое объяснение: образцы из того региона, пригодные для анализа, встречаются редко.

В 2011 году миссия НАСА «Генезис» показала, что Солнце содержит пропорционально больше легкого кислорода, чем Земля и большинство метеоритов. Это вместе с анализом разных метеоритов привело ученых к теории: лед во внешней части Солнечной системы может содержать пропорционально больше воды с тяжелым кислородом.

Пыль, которая рассказывает историю

Исследователь НАСА Линдси П. Келлер и его команда хотели понять, есть ли во внешней части Солнечной системы резервуар с относительно большим количеством тяжелого водяного льда. Собирать и анализировать образцы на таком расстоянии невероятно сложно и дорого, поэтому они нашли другой путь — внимательнее изучили космическую пыль, которая естественным образом попадает на Землю. Эти частицы содержат подсказки о своем происхождении и истории.

Ранее исследования связали необычно плотные радиационные следы в некоторых пылевых частицах с их происхождением в поясе Койпера. Команда проанализировала 12 микроскопических пылевых частиц, собранных в стратосфере Земли самолетами НАСА. С помощью электронной микроскопии, химического анализа и измерений изотопов кислорода они идентифицировали радиационные следы, проверили наличие гидратированных минералов как свидетельство водной модификации и определили содержание тяжелых изотопов кислорода. Химические расчеты помогли восстановить информацию о воде, которая изменила пыль.

Что показал анализ

Анализ выявил высокую плотность следов от солнечных энергетических частиц — убедительное свидетельство происхождения пыли из области пояса Койпера. Распределение изотопов кислорода также отличалось от известных метеоритов, подвергшихся воздействию воды, что указывает на другой источник воды.

Обнаруженные в пыли гидратированные глинистые минералы говорят о том, что при низких температурах внутри исходных тел частиц происходили реакции между тяжелой водой и породой. Прямо измерить содержание воды было невозможно, но расчеты показали: исходное соотношение кислорода-18 к кислороду-16 в воде было примерно на 15% выше стандартного значения для океанической воды Земли. Исследователи отмечают, что это оценка верхнего предела, основанная на модели.

Авторы предполагают, что аморфные силикатные зерна с нанофазными включениями металла FeNi и сульфидов были основными предшественниками глинистых минералов в гидратированных межпланетных пылевых частицах. Эта гипотеза подтверждается наблюдениями минеральных ассоциаций в межпланетных пылевых частицах и антарктических микрометеоритах, которые демонстрируют состав, промежуточный между безводными и полностью гидратированными объектами. Ее подкрепляют и эксперименты по водному изменению безводных частиц: аморфные силикаты обладают высокой реакционной способностью и легко гидратируются при низких температурах.

Сатурн как граница

Исследователи также утверждают, что этот удаленный резервуар, вероятно, почти не смешивался с веществом ближе к Солнцу. Это подтверждается различиями в химическом составе частиц из внутренней и внешней частей Солнечной системы. Предполагается, что Сатурн, а возможно, и Уран с Нептуном, могли способствовать разделению этих регионов.

Авторы пишут, что ограниченное перемешивание между резервуарами во внешней части Солнечной системы означает: резервуар тяжелой воды был изолирован от внутренних областей, скорее всего, Сатурном или вместе с ледяными гигантами. Гидродинамические модели предсказывают скачок давления за пределами Сатурна в течение первых нескольких миллионов лет существования Солнечной системы — он замедлил бы или остановил радиальный дрейф частиц внешней Солнечной системы внутрь орбиты Сатурна.

Изображение: разработано Мagnific.