Всего 12 микроскопических пылинок, собранных в земной атмосфере, помогли учёным обнаружить следы воды, существовавшей на окраине Солнечной системы миллиарды лет назад. Её химический состав оказался необычным и указывает на существование огромного водного резервуара, который долгое время оставался изолированным от остальной Солнечной системы.
Речь идёт о поясе Койпера — обширной области за орбитой Нептуна, где находятся миллионы ледяных и каменистых тел. Многие из них считаются остатками вещества, из которого около 4,5 миллиарда лет назад сформировалась Солнечная система. Благодаря огромному расстоянию от Солнца эти объекты могли сохранить следы древнейших химических процессов.
Однако исследовать их чрезвычайно сложно. Даже космическим аппаратам требуются годы, чтобы добраться до таких расстояний, а доставка образцов на Землю пока остаётся практически недостижимой задачей.
К счастью, часть вещества из далёких областей Солнечной системы самостоятельно попадает на нашу планету. Ежегодно на Землю выпадает около 5200 тонн космической пыли. Среди неё встречаются частицы, проделавшие путешествие длиной в миллиарды километров.
Группа исследователей под руководством Линдси Келлера из Космического центра имени Джонсона НАСА изучила 12 таких пылинок размером от 10 до 30 микрометров. Их собрали в стратосфере с помощью высотных самолётов.
Но как определить, что крошечная частица действительно прилетела из-за орбиты Нептуна, а не из гораздо более близкого пояса астероидов?
Ответ скрывается в повреждениях её минералов. Во время путешествия через межпланетное пространство пыль постоянно подвергается воздействию энергичных солнечных частиц. Они нарушают расположение атомов внутри кристаллов, оставляя микроскопические следы. Чем дольше пылинка находится в космосе, тем больше таких повреждений успевает накопиться.
Под действием солнечного света мелкие частицы постепенно теряют орбитальную энергию и приближаются к Солнцу. Поэтому количество радиационных следов позволяет приблизительно оценить продолжительность их путешествия.
В исследованных образцах плотность таких повреждений оказалась примерно в 100 раз выше, чем ожидалось бы для пыли из пояса астероидов или комет семейства Юпитера. Это согласуется с предположением, что частицы прибыли из гораздо более удалённой области, возможно, из пояса Койпера.
Дополнительные подсказки дал их химический состав. Пылинки содержали примерно в четыре раза больше углерода, чем некоторые углистые метеориты. Но самым интересным открытием стало присутствие глинистых минералов, включая сапонит и серпентин.
Такие минералы образуются при химическом взаимодействии воды с горными породами. Следовательно, внутри небесных тел, от которых отделились исследованные частицы, когда-то могла существовать жидкая вода.
Сегодня пояс Койпера представляет собой чрезвычайно холодную область, но миллиарды лет назад внутренние части некоторых его объектов могли нагреваться. Источниками тепла могли служить распад радиоактивных элементов или столкновения. Этого могло хватить для частичного таяния льда и взаимодействия воды с окружающими минералами.
Именно эти древние реакции оставили в пылинках наиболее важную для учёных информацию.
Дело в том, что кислород существует в нескольких разновидностях — изотопах, которые различаются числом нейтронов в атомном ядре. Самый распространённый из них — кислород-16, но существуют также более тяжёлые кислород-17 и кислород-18.
Соотношение этих изотопов зависит от условий образования вещества и происходивших с ним химических процессов. Поэтому оно служит своеобразным отпечатком, по которому можно изучать происхождение древних материалов.
Исследователи обнаружили в минералах необычно высокую долю тяжёлых изотопов кислорода. Восстановив условия химических реакций, они пришли к выводу, что вода, участвовавшая в образовании этих минералов, сама была значительно обогащена тяжёлыми изотопами.
Причём её предполагаемый изотопный состав заметно отличался от состава воды, следы которой сохранились в углистых метеоритах из других областей ранней Солнечной системы.
Это важное различие. Оно указывает на то, что за орбитами планет-гигантов мог существовать отдельный резервуар воды, который практически не смешивался с веществом внутренних областей Солнечной системы. Благодаря такой изоляции его первоначальные химические особенности могли сохраняться на протяжении миллиардов лет.
Но что мешало веществу перемешиваться?
Одним из возможных препятствий исследователи считают Сатурн. Согласно моделям ранней Солнечной системы, формирующаяся планета могла создавать область повышенного давления в окружающем молодое Солнце газопылевом диске. Такая преграда замедляла или даже останавливала движение вещества к внутренним областям.
Вместе с ледяными гигантами Сатурн мог способствовать сохранению удалённого резервуара воды с особым изотопным составом.
Учёные и раньше предполагали, что подобная вода существовала, однако обнаружить её следы было непросто. Большинство доступных для исследования метеоритов происходят из областей, где вещество активно перемешивалось и подвергалось химическим изменениям. Из-за этого первоначальные изотопные особенности часто оказывались стёрты.
Новые результаты дают дополнительные свидетельства существования такого резервуара, хотя происхождение исследованных пылинок из пояса Койпера пока определяется по косвенным признакам.
При этом 12 частиц могут оказаться лишь небольшой частью гораздо более обширного потока вещества. В исследовании 2022 года Келлер и его коллега Джордж Флинн предположили, что до четверти межпланетной пыли, достигающей внутренних областей Солнечной системы, может происходить из пояса Койпера.
Это означает, что среди космической пыли, постоянно оседающей на Землю, могут находиться и другие частицы, сохранившие сведения о первых этапах формирования планет, происхождении воды и химических условиях, существовавших миллиарды лет назад.
Результаты исследования опубликованы в научном журнале Science Advances.
