一项惊人的发现揭示了太阳系中水在太阳出现前数十亿年的起源

ALMA 将水在行星形成中的历史追溯到星际介质

对原恒星 V883 Ori 周围形成的圆盘中水的观察揭示了我们太阳系中彗星和小行星形成的线索。

研究附近一颗原恒星的科学家在其圆周盘中发现了水。 使用阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列 (ALMA) 进行的新观测代表了首次在原行星盘中检测到可遗传的水，而其成分没有发生重大变化。 这些发现还表明，我们太阳系中的水在太阳出现之前形成了数十亿年。 新的观察结果发表在 3 月 8 日的期刊上 自然。

这位艺术家的印象展示了恒星 V883 Orionis 周围的行星形成盘。 圆盘外面的水冻结成冰，因此不容易被检测到。 来自恒星的能量爆炸将内盘加热到水呈气态的温度，使天文学家能够探测到它。
插图显示了在该圆盘中研究的两种类型的水分子：普通水，具有一个氧原子和两个氢原子，以及较重的版本，其中氢原子被氘取代，氘是氢的一种重同位素。
图片来源：ESO/L. Calzada

V883 Orionis 是一颗原恒星，位于猎户座，距离地球约 1,305 光年。 对这颗原恒星的新观察通过确认星际介质中的水和我们太阳系中的水具有相似的成分，帮助科学家找到了它们之间可能存在的联系。

V883 Ori 是一颗独特的原恒星，其温度足够高，以至于其周围圆盘中的水已经变成气体，这使得射电天文学家有可能追踪水的起源。 使用阿塔卡马大毫米/亚毫米阵列 (ALMA) 的新观测首次证实，我们太阳系中的水可能与宇宙其他地方原恒星周围圆盘中的水来自同一位置：星际介质。 图片来源：ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), B. Saxton (NRAO/AUI/NSF)

“我们可以将水在宇宙中的路径想象成一条路径。我们知道端点是什么样子的，即行星和彗星上的水，但我们想追溯这条路径回到水的起源。，新的主要作者论文。”在此之前，我们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，但我们无法将原恒星与彗星联系起来。 V883 Ori 改变了这一点，证明了这个系统中的水分子和我们太阳系中的水分子具有相似比例的氘和氢。 “

使用[{” 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.

大多数时候，原恒星周围圆盘中的水以冰的形式存在，有时会延伸到离恒星很远的地方。 在 V883 Ori 的情况下，雪线从恒星延伸 80 个单位； 如动画所示，这是地球与太阳之间距离的 80 倍。 但是 V883 Ori 的温度足够高，以至于其盘中的大部分冰都变成了气体，这使得射电天文学家有可能详细研究这些水。 使用阿塔卡马大毫米/亚毫米阵列 (ALMA) 的新观测表明，V883 Ori 圆盘中的水与我们太阳系物体上的水具有相同的基本成分。 这表明我们太阳系中的水是在星际介质中比太阳早数十亿年形成的。 图片来源：ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)、J. Tobin、P. Saxton (NRAO/AUI/NSF)

“这一观察凸显了 ALMA 仪器在帮助天文学家研究对地球生命如此重要的事物：水方面的非凡能力，”ALMA 国家科学基金会项目官员 Joe Pesci 说。 “了解对地球上的我们来说很重要的基本过程，这些过程远远超出了银河系，也让我们了解了自然界的一般运作方式，以及我们的太阳系必须发生的过程才能演变成我们所知道的今天。”

为了将 V883 Ori 原行星盘中的水与我们太阳系中的水联系起来，该团队使用 ALMA 的高灵敏度波段 5（1.6 毫米）和波段 6（1.3 毫米）接收器测量了它的成分，发现它在每个阶段之间保持相对不变太阳系形成：原恒星、原行星盘和彗星。 这意味着我们太阳系中的水早在太阳、行星和彗星形成之前就已形成。 我们已经知道星际介质中存在大量的水冰。 密歇根大学的天文学家、该论文的作者之一梅里尔·范特霍夫说，我们的研究结果表明，这种水在太阳系形成过程中直接并入了太阳系。 “这很令人兴奋，因为它表明其他行星系统也一定接收了大量的水。”

在我们的太阳系中寻找水的起源时，科学家们选择了 V883 Orionis，这是一颗距离地球 1,305 光年的独特原恒星。 与其他原恒星不同，环绕 V883 Ori 的星周盘足够热，其中的水已经从冰变成气，这使得科学家们可以使用阿塔卡马大毫米/亚毫米阵列 (ALMA) 等射电望远镜研究它的成分). 对原恒星的射电观测揭示了水（橙色）、尘埃条纹（绿色）和分子气体（蓝色）的存在，表明这颗原恒星上的水与我们太阳系物体上的水非常相似，并且可能具有同源。 图片来源：ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)、J. Tobin、B. Saxton (NRAO/AUI/NSF)

阐明水在彗星和小行星形成过程中的作用对于了解我们的太阳系如何演化至关重要。 尽管太阳被认为是在密集的星团中形成的，而 V883 Ori 相对孤立，附近没有恒星，但这两者有一个重要的共同点：它们都是在巨大的分子云中形成的。

“众所周知，星际介质中的大部分水在云中的微小尘埃颗粒表面形成冰。当这些云在自身引力作用下坍塌并形成年轻恒星时，水最终会进入它们周围的圆盘中。最终，圆盘演化，冰冷的尘埃颗粒凝结形成一个包含行星和彗星的新太阳系。” “我们已经表明，云中产生的水几乎没有改变地遵循这条路径。因此，通过观察 V883 Ori 圆盘中的水，我们可以及时回顾过去，看看我们的太阳系在年轻得多时的样子”

V883 Orionis 是一颗原恒星，位于猎户座，距离地球约 1,305 光年。 图片来源：ESO/IAU 和 Sky & Telescope

托宾补充说，“到目前为止，水链在我们太阳系的发展中已经停滞不前。V883 Ori 是这种情况下缺失的一环，我们现在在从彗星和原恒星到星际介质的水链中有一条完整的链。 ”

有关此发现的更多信息，请参阅地球上的水比我们的太阳更古老。

参考资料：John J. Tobin、Merrill L.R. Van Hove、Margot Lemker、Ewen F. Van Dishoek、Teresa Paneki-Carino、Kenji Furuya、Daniel Harsono、Magnus F 撰写的“富含氘的水将行星形成盘与彗星和原恒星结合” . Pearson、Elzidor Cleaves、Patrick D. Sheehan 和 Lucas Siza，2023 年 3 月 8 日，可在此处获得。 自然.
DOI: 10.1038/s41586-022-05676-z