Как появилась вода во вселенной
Когда во Вселенной зародилась вода?
Изучая древние молекулярные облака в нашей галактике, астрономы заметили, что вода во Вселенной появилась гораздо раньше – спустя один миллиард лет после Большого Взрыва.
Загвоздка состояла в том, что молекула воды, состоящая из двух атомов водорода и одного атома кислорода, как и любой элемент тяжелее гелия, была сформирована в ядрах звезд, а не самим Большим Взрывом.
Первым звездам требовалось некоторое количество времени, чтобы сформироваться, состариться и погибнуть, благодаря чему, такие тяжелые элементы как кислород, смогли вырваться через звездные ветра и сверхновые. Принимая во внимание такую временную задержку, астрономы довольно долгое время считали, что вода во Вселенной появилась гораздо позже.
Но согласно новому исследованию, опубликованному в журнале Astrophysical Journal Letters, это могло произойти гораздо быстрее. В самом деле, существует вероятность, что вода могла зародиться спустя один миллиард лет после того, как зародилась Вселенная.
Тем не менее, в течение этого бурного времени нашей Вселенной, обилие молодых звезд порождало мощное ультрафиолетовое излучение, которое разрывало вновь сформированные молекулы. Но спустя миллионы лет, разрушительное воздействие ультрафиолетового света спало, и процесс формирования воды ускорился.
Это исследование показывает, что спустя всего один миллиард после Большого Взрыва, наша Вселенная имела богатую среду для производства воды, несмотря на низкое содержание воды. Это подготовило почву для более поздних эпох, когда возле более поздних звезд начали формироваться планеты, где вода уже присутствовала.
Как во Вселенной появилась вода: доказанные теории и новые гипотезы
Вода в космосе — сложная тема. Обнаружение воды на Марсе стало очень громким открытием. Однако, она находится там в основном в состоянии пара. Есть также немного льда. На Красной планете очень низкое давление, которое не способствует существованию жидкой воды.
Так где же найти воду во Вселенной? Учёные уверяют, что в нашей солнечной системе воды довольно много. НАСА в настоящее время готовится отправить зонд в космос, чтобы исследовать Юпитер и ответить на вопрос, сколько там воды.
Кроме того, существует гипотеза, что воду в космосе можно найти на пяти планетах за пределами Солнечной системы.
Вода во Вселенной появилась значительно раньше, чем предполагалось
До сих пор в научном мире считалось, что вода во Вселенной должна была появиться сравнительно недавно, после нескольких поколений звёзд. Недавние исследования показывают, что это произошло намного раньше. И воды было довольно много.
Ранее учёные полагали, что первое поколение звёзд, появившихся после Большого взрыва, образовалось из водорода и гелия. Большинство других, более тяжёлых элементов, образовалось намного позже. Они появились в ядрах первых звёзд. И только после прекращения существования некоторых звёзд, сверхновые, более тяжелые элементы мигрировали в межзвёздное пространство. Это создало газовые облака. Но они были бедны кислородом — его содержание было намного ниже, чем, например, в нашей сегодняшней Галактике.
Последнее исследование группы учёных из Гарвардского университета и Тель-Авивского университета, опубликованное в Astrophysical Journal Letters, доказывает, что, несмотря на относительно небольшое количество кислорода, вода во Вселенной образовалась намного раньше, чем мы думали. Вполне вероятно, что водяной пар появился, спустя миллиард лет после Большого взрыва. По мнению команды учёных, это может иметь решающее значение для определения сроков существования жизни во Вселенной.
«Разработанная нами теоретическая модель позволяет предположить, что молекулярные облака молодых галактик могли содержать значительное количество водяного пара. И это несмотря на то, что уровень кислорода там в тысячи раз ниже, чем в нашей галактике сегодня», — сказал Шмуэль Бяли, аспирант в Тель-Авивском университете и ведущий автор исследования.
Учёные проанализировали химические реакции, которые могут создать воду в среде с низким содержанием кислорода. Оказалось, что при температуре около 27 градусов по Цельсию этот процесс чрезвычайно эффективен, и даже при недостатке кислорода может быть получено значительное количество воды.
«Вселенная была теплее, чем сегодня, и поэтому газовые облака не могли охлаждаться», — считает профессор Амиэль Штернберг из Тель-Авивского университета.
«Температура космического фонового излучения была намного выше. Плотность газа также была выше, чем сейчас», — добавляет профессор Ави Леб из Гарвардского университета.
Поскольку ультрафиолетовое излучение разрушает молекулы воды, потребовалось несколько сотен миллионов лет, чтобы достичь баланса между его образованием и распадом. Команда в своих исследованиях доказала, что такой же баланс существует и сегодня.
Также астрономы доказали, что можно производить большое количество газообразной воды без необходимости использования других тяжёлых элементов. Они рассчитали, сколько воды могло образоваться в молекулярных облаках, которые затем породили звёзды и планетные системы. В будущих исследованиях они обещали сосредоточиться на том, сколько воды в форме межзвёздного льда содержится в нашей галактике.
Как появилась вода на Земле: новая теория
Учёные из Университета штата Аризона выдвигают новую теорию о происхождении воды на нашей планете. По их мнению, кроме воды, принесённой на нашу планету астероидами и, возможно, кометами, на Земле может быть вода, которая поступила непосредственно из газов, оставшихся в окрестностях Солнца после его образования. Водород, накопленный в недрах нашей планеты, способствовал созданию водных масс.
Гипотеза, описанная в статье, опубликованной в «Журнале геофизических исследований: планеты», может помочь проанализировать процессы формирования внесолнечных планет, и оценить шансы на существование условий, способствующих возникновению там жизни.
Вопрос о том, откуда взялась вода на Земле, и как она сюда попала, по сей день не даёт учёным покоя. В настоящее время считается, что она была доставлена на нашу планету из космоса после падения на её поверхность астероидов и комет. Об этом свидетельствуют результаты исследований изотопов. Но, как утверждают учёные из Университета штата Аризона, это может быть только частью правды.
«Кометы содержат много льда и могут быть источником воды, а астероиды содержат совсем немного воды», — говорит профессор Стивен Деш.
«Вода состоит из водорода и кислорода. Поскольку на Земле много кислорода, практически любой источник водорода можно считать источником воды», — добавляет он.
Водород был ведущим компонентом солнечной туманности, из которой в конечном итоге образовалась наша звезда и планеты нашей системы.
Новый анализ показывает, что, по крайней мере, часть воды на Земле может поступать непосредственно из облаков пыли и газа, которые остались после того, как наша звезда сформировалась в так называемой солнечной туманности. Кроме того, благородные газы из-под поверхности Земли имеют изотопный состав, унаследованный от солнечной туманности.
Чтобы объяснить это, ученые сформулировали новую теоретическую модель формирования Земли. Согласно этому, миллиарды лет назад пропитанные водой астероиды стали появляться вокруг Солнца, в то время как большая часть газа и пыли осталась в форме солнечной туманности. Астероиды столкнулись и соединились вместе, создавая, среди прочего, планеты. Газы из солнечной туманности, включая водород и благородные газы, затем гравитационно притягивались к этим крупным объектам. Водород с более низким содержанием дейтерия, чем в воде, изначально присутствующей в астероидах, растворился в жидкой лаве и проник внутрь, а также в ядро из расплавленного железа. Водород, богатый дейтерием, остался на поверхности.
К счастью, похоже, что менять школьные учебники не нужно. Новая теория касается образования только около 2 процентов воды на Земле. Новая теория, однако, может иметь последствия для нашего понимания формирования планет вне Солнца и нашей оценки шансов, что в космосе будут созданы условия для возникновения жизни.
Вода появилась во Вселенной через миллиард лет после Большого взрыва
МОСКВА, 29 апр – РИА Новости. Первые молекулы воды могли появиться во Вселенной уже через миллиард лет после Большого взрыва, во время эпохи существования первых звезд, что говорит о возможности существования жизни уже 10-11 миллиардов лет назад, заявляют астрофизики в статье, принятой к публикации в Astrophysical Journal Letters.
«Мы проанализировали те химические процессы, которые могли происходить в юных облаках из молекулярного водорода, которые содержали в себе в тысячи раз меньше кислорода, чем наше Солнце. Удивительно, но мы обнаружили, что в них могло существовать примерно такое же количество водных паров, какое есть в их более современных «кузенах» в нашей Галактике», — заявил Ави Лоеб (Avi Loeb) из Гарвард-Смитсоновского астрофизического центра в Кембридже (США).
Как выяснили Лоеб и его коллеги, молекулы воды могли формироваться в юной Вселенной и скапливаться в достаточно большом количестве благодаря тому, что она была гораздо теплее, чем сегодня, из-за того, что ее «подогревало» микроволновое эхо Большого взрыва.
Данный вывод был достаточно неожиданным для ученых. По современным представлениям, после охлаждения Вселенной в первые эпохи после Большого Взрыва она была заполнена плотными облаками из водорода и гелия, в которых не содержалось других химических элементов. В этих клубах газа родились первые звезды, которые выгорели за несколько миллионов лет и засеяли Вселенную кислородом, углеродом и прочими распространенными сегодня веществами.
Первые звезды, как считают астрономы, были необычайно яркими в ультрафиолетовом диапазоне, что привело к двум последствиям. Во-первых, Вселенная стала благодаря им прозрачной для нашего взора, так как их ультрафиолет ионизировал непрозрачные облака из водорода и гелия, а во вторых — к разрушению всех сложных молекул, которые могли образоваться в этих облаках в «темные века».
Второй фактор ученые считали, вкупе с крайне малой концентрацией кислорода в этих облаках газа, причиной того, что вода и прочие сложные соединения не могли присутствовать в ранних галактиках в сколь-либо значимом количестве.
Група Лоеба проверила, было ли это так на самом деле, подготовив математическую и компьютерную модель облаков газа в ранней Вселенной. Как показали расчеты, вода могла формироваться в ту эпоху и скапливаться в количествах, не уступающих ее концентрации в газовых облаках в современном Млечном Пути.
Для этого достаточно исполнения двух простых условий – достаточно высокой плотности газов в облаке и его средней температуры, превышающей 26 градусов Цельсия. Если оба этих условия исполняются, то в облаках будет рождаться больше молекул воды, чем их будет разрушать свет первых светил Вселенной, и со временем их количество будет расти.
Присутствие паров воды или кристалликов льда в ранней Вселенной, как объясняют авторы статьи, делает ее несравненно более богатой с точки зрения химии, чем мы считали раньше, и открывает дорогу для появления органики и сложных неорганических соединений, появлению планет и возможному зарождению жизни на их поверхности уже 10-11 миллиардов лет назад.
Насколько распространена вода во Вселенной?
Вода в вашем стакане древнее всего, что вы видели в жизни; большая часть ее молекул древнее самого Солнца. Она появилась вскоре после того, как зажглись первые звезды, и с тех пор космический океан подпитывается их термоядерными топками. В подарок от древних звезд Земле достался Мировой океан, а соседним планетам и спутникам — ледники, подземные озера и глобальные океаны Солнечной системы.
1. Большой взрыв
Водород почти так же стар, как сама Вселенная: его атомы появились, как только температура новорожденной Вселенной упала настолько, что смогли существовать протоны и электроны. С тех пор водород уже 14,5 млрд лет остается самым распространенным элементом Вселенной и по массе, и по числу атомов. Облака газа, состоящие в основном из водорода, заполняют весь космос.
В 2011 году астрономы обнаружили в созвездии Персея молодую солнцеподобную звезду, извергавшую целые фонтаны воды.
Ускоряясь в мощном магнитном поле звезды, молекулы H20 на скорости, в 80 раз больше скорости пулеметной пули, вырывались из недр звезды и, остывая, превращались в капли воды. Вероятно, такие выбросы молодых звезд — один из источников вещества, в том числе и воды, в межзвездном пространстве.
2. Первые звезды
В результате гравитационного коллапса облаков водорода и гелия появились первые звезды, внутри которых начался термоядерный синтез и образовались новые элементы, в том числе кислород.
Кислород и водород дали воду; первые ее молекулы могли сформироваться сразу после появления первых звезд — 12,7 млрд лет назад. В форме очень рассеянного газа она заполняет межзвездное пространство, охлаждая его и таким образом приближая рождение новых звезд.
В 2011 году астрономы нашли самый большой космический резервуар с водой. Он обнаружился в окрестностях огромной и древней черной дыры в 12 млрд световых лет от Земли; воды в нем хватило бы, чтобы заполнить земные океаны 140 трлн раз!
Но астрономов больше заинтересовало не количество воды, а ее возраст: ведь расстояние до облака указывает на то, что оно существовало, когда возраст Вселенной составлял одну десятую от нынешнего. А значит, уже тогда вода заполняла часть межзвездного пространства.
3. Вокруг звезд
Вода, присутствовавшая в породившем звезду облаке газа, переходит в вещество протопланетного диска и объектов, которые формируются из него, — планет и астероидов. В конце жизни самые массивные звезды взрываются сверхновыми, оставляя после себя туманности, в которых вспыхивают новые звезды.
Вода в Солнечной системе
Ученые полагают, что на Земле есть два хранилища воды. 1. На поверхности: пар, жидкость, лед. Океаны, моря, ледники, реки, озера, атмосферная влага, грунтовые воды, вода в живых клетках.
Происхождение: вода комет и астероидов, бомбардировавших Землю 4,1−3,8 млрд лет назад. 2. Между верхней и нижней мантиями. Вода в связанной форме в составе минералов. Происхождение: вода протосолнечного облака межзвездного газа или, по другой версии, вода протосолнечной туманности, возникшей в результате взрыва сверхновой.
В 2011 году американские геологи обнаружили в алмазе, выброшенном на поверхность во время извержения бразильского вулкана, минерал рингвудит с большим содержанием воды.
Он сформировался на глубине более 600 км под землей, и вода в составе минерала присутствовала в магме, породившей его. А в 2015 году другая группа геологов, опираясь на данные сейсморазведки, пришла к выводу, что на этой глубине очень много воды — столько же, сколько в Мировом океане на поверхности, если не больше.
Впрочем, если смотреть шире, то кометы и астероиды Солнечной системы позаимствовали свою воду у протосолнечного облака космического газа, а значит, океаны Земли и вода, рассеянная в толще магмы, имеют один древний источник.
Материалы по теме
А вот ещё:
Вселенная может настраивать и обучать саму себя?
Вероятно самыми сложными и самыми актуальными вопросами современной космологии являются: задача объединения квантовой механики и общей теории относительности; а также выяснение причин чрезвычайно тонкой настройки Вселенной, исключительно благодаря которым в ней существует физическая материя и условия для возникновения разумной жизни.
На первый вопрос ученые ищут ответ, пытаясь разработать так называемую Теорию Всего. Но пока безуспешно. К ответу на второй вопрос ближе всего подошла наполовину философская идея, отраженная в концепции антропного принципа.
Но теперь, не ответив окончательно ни один из этих вопросов по отдельности, физики предложили теорию, которая решает обе задачи одновременно. Они сформулировали идею автодидактической вселенной, которая настраивает и обучает сама себя в процессе изучения. себя самой!
В этой новой концепции предполагается, что каждое отдельное решение физической теории соответствует запуску процесса в нейронной сети. Самообучение Вселенной происходит по аналогии с принципом функционирования автодидактических систем, в которых нет внешнего надзора и вмешательства в процесс.
Диаграмма из исследования об Автодидактической Вселенной: Тензорные произведения с подграфами. (Иллюстрация: Stephon Alexander, William J. Cunningham at al.)
В исследовании они анализируют широкий ряд протоколов для автодидактических физических систем, таких как оптимизация разнообразия графов, репликация подмножества с использованием самовнимания и предвидения, геометрогенезис, управляемый обучением с подкреплением, структурное обучение с использованием методов ренормализационной группы и расширения. Все вместе эти протоколы обеспечивают ряд направлений для изучения происхождения физических законов, основанных на приведении архитектур машинного обучения в соответствие с физическими теориями.
Этот подход позволяет по мнению ученых объяснить, почему вообще существуют эти законы и почему они именно такие?
Несмотря на все достижения физики, до сих пор нет исчерпывающего объяснения тонкой настройке физических констант, без которой Вселенная могла быть совсем другой, как и нет объяснения причины, по которой она развивается по тому пути, который мы наблюдаем.
Но новая теория заявляет, что на самом деле константы могли быть другими, но не случайным образом. Предполагается, что их значения устанавливаются в результате динамического процесса, что означает, что его тоже можно моделировать аналогично всем другим зависимым от времени процессам, которые нам известны.
Ученые говорят, что эта теория только маленький шаг в новом направлении познания Вселенной и требуется движение к гипотезам, которые они планируют изучить в дальнейшей работе. Успех в обосновании этой теории, по мнению авторов, позволит не только по-новому взглянуть на Вселенную, но и даст возможность получить практические результаты, такие как построение обучающихся машин из степеней свободы калибровочного и гравитационного полей, или создание кваркового компьютера, который вычисляет, используя спины и изоспины кварков и глюонов в качестве кубитов.
Мокрое место: откуда в нашей вселенной вода
1. Большой взрыв
Водород почти так же стар, как сама Вселенная: его атомы появились, как только температура новорожденной Вселенной упала настолько, что смогли существовать протоны и электроны. С тех пор водород уже 14,5 млрд лет остается самым распространенным элементом Вселенной и по массе, и по числу атомов. Облака газа, состоящие в основном из водорода, заполняют весь космос.
В 2011 году астрономы обнаружили в созвездии Персея молодую солнцеподобную звезду, извергавшую целые фонтаны воды. Ускоряясь в мощном магнитном поле звезды, молекулы H20 на скорости, в 80 раз больше скорости пулеметной пули, вырывались из недр звезды и, остывая, превращались в капли воды. Вероятно, такие выбросы молодых звезд – один из источников вещества, в том числе и воды, в межзвездном пространстве.
2. Первые звезды
В результате гравитационного коллапса облаков водорода и гелия появились первые звезды, внутри которых начался термоядерный синтез и образовались новые элементы, в том числе кислород. Кислород и водород дали воду; первые ее молекулы могли сформироваться сразу после появления первых звезд – 12,7 млрд лет назад. В форме очень рассеянного газа она заполняет межзвездное пространство, охлаждая его и таким образом приближая рождение новых звезд.
В 2011 году астрономы нашли самый большой космический резервуар с водой. Он обнаружился в окрестностях огромной и древней черной дыры в 12 млрд световых лет от Земли; воды в нем хватило бы, чтобы заполнить земные океаны 140 трлн раз! Но астрономов больше заинтересовало не количество воды, а ее возраст: ведь расстояние до облака указывает на то, что оно существовало, когда возраст Вселенной составлял одну десятую от нынешнего. А значит, уже тогда вода заполняла часть межзвездного пространства.
3. Вокруг звезд
Вода, присутствовавшая в породившем звезду облаке газа, переходит в вещество протопланетного диска и объектов, которые формируются из него, – планет и астероидов. В конце жизни самые массивные звезды взрываются сверхновыми, оставляя после себя туманности, в которых вспыхивают новые звезды.