期待已久的回顾揭示了水从星际云到可居住世界的旅程


从星际云到可居住世界的水之旅。从左上到右下:冰冷的星际云中的水,在一个年轻的正在形成的流出物恒星附近,在一个原行星盘中,在一颗彗星中,在一个系外行星的海洋中。前三个阶段显示了由赫歇尔空间天文台上的HIFI仪器测量的水蒸气光谱。在这张图片中,来自寒冷星际云和原行星盘的信号被夸大了100倍,而来自中心年轻的正在形成的恒星的信号则被夸大了100倍。(c) ESA /阿尔玛/ NASA / L.E.Kristensen

荷兰天文学家Ewine van Dishoeck(荷兰莱顿大学)和一个国际团队的同事们,在赫歇尔空间天文台的帮助下,写下了我们所知道的关于星际云中水的一切概览。

这篇发表在《天文学与天体物理学》杂志上的文章总结了现有的知识,并提供了关于新的、可能适宜居住的星球上水的起源的新信息。这篇文章有望在今后二十年中作为参考。

水在星际空间中是如何形成的,在哪里形成的,以及它最终如何在像地球这样的行星上形成的,十年前人们还不太了解。原因之一是地面望远镜的观测会受到大气层水蒸气的影响。2009年,欧洲航天局发射了赫歇尔远红外太空望远镜。赫歇尔的主要目标之一是研究太空中的水。赫歇尔一直任职到2013年。特别重要的是在荷兰领导下建造的HIFI仪器,也被称为“分子猎人”。近年来,基于赫歇尔的水数据发表了数十篇科学论文。现在,这些结果被结合起来,并以新的见解加以扩展。

这项新研究描述了水在整个恒星形成过程中的旅程,包括到目前为止较少受到关注的中间阶段。论文表明,大部分水是在寒冷而稀薄的星际云中以微小尘埃颗粒上的冰的形式形成的。当云团坍缩成新的恒星和行星时,这些水大部分被保存下来,并迅速固定成卵石大小的尘埃颗粒。在围绕年轻恒星的旋转圆盘中,这些小卵石随后形成了新行星的基石。

此外,研究人员计算出,大多数新的太阳系诞生时都有足够的水填满数千个海洋。迪霍克:“当你喝一杯水时,意识到大部分水分子都是45亿年前在形成太阳和行星的云中形成的,这很有趣。”

赫歇尔的许多早期研究结果集中在热水蒸气上,这些水蒸气在形成恒星附近明显可见并大量产生。但这些热水会被年轻恒星的强大流出物流失到太空中。在撰写这篇综述的同时,研究人员对冷水蒸汽和冰的化学成分有了越来越多的了解。例如,他们能够证明星际冰在尘埃颗粒上一层一层地生长。他们基于重水(HDO和D2O而不是H2O)发出的微弱信号得出了这一结论。

在未来,研究人员希望能够研究宇宙中更多的水,特别是行星系统的形成。然而,这可能需要一段时间。下一个可以与赫歇尔望远镜相媲美的太空望远镜计划不早于2040年发射。迪肖克:“‘水望远镜’有可能在2030年左右进入太空,但该项目被取消了。这是一个遗憾,但这是我们团队编写水概述的另一个原因。通过这种方式,当新的任务到来时,我们会有一种集体记忆。”

此外,詹姆斯·韦伯太空望远镜将于2021年底发射升空。它将包含由欧美合作伙伴建造的MIRI仪器,它将能够揭示到目前为止还无法企及的部分水资源路线图。MIRI将能够探测到尘埃盘最内部区域的温暖水蒸气。合著者Michiel Hogerheijde(莱顿大学和阿姆斯特丹大学):“赫歇尔已经证明,形成行星的圆盘富含水冰。有了MIRI,我们现在可以沿着这条轨迹进入类地行星形成的区域。”

智利的ALMA望远镜可以从地面观测太空中的水蒸气。这包括遥远星系中的水,那里的水线已经偏离了地球大气中的水线。合著者Lars Kristensen(丹麦哥本哈根大学)补充说:“多亏了Herschel的贡献,我们可以更好地解释这些ALMA数据。”

关于赫歇尔太空望远镜

赫歇尔望远镜是欧洲航天局(ESA)与美国国家航空航天局(NASA)合作建造的太空望远镜。它的HIFI和PACS仪器用于水的研究。HIFI是由欧洲、加拿大和美国的研究所和大学院系组成的一个财团设计和建造的,由荷兰的空间研究学会荷兰空间研究所领导,并得到德国、法国和美国的主要贡献。PACS仪器是由德国的马克斯·普朗克地外物理研究所领导的一个由欧洲各研究所和大学组成的联盟开发的。Ewine van Dishoeck领导了“希望”项目(与赫歇尔一起研究恒星形成区域的水)中的水研究。

科学论文

恒星形成区域的水:赫歇尔光谱学研究从云到盘的物理和化学。作者:Ewine F. van Dishoeck等。已在《天文学与天体物理学》期刊上发表,2021年。
原:https://www.aanda.org/10.1051/0004-6361/202039084
免费预印:https://arxiv.org/abs/2102.02225

天体生物学,天体化学

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