Откуда взялась вода и когда могла зародиться жизнь? Оказывается, первые сверхновые превратили раннюю Вселенную в «море» воды

16.01.2025 21:39

Вы когда-нибудь задумывались, откуда взялась вода на Земле, и в конечном итоге, откуда взялись мы? Ответ, возможно, лежит гораздо дальше, чем кажется, — в первых мгновениях существования Вселенной. Новое исследование показало, что ключевые ингредиенты для возникновения жизни, такие как вода, могли появиться в результате взрывов первых звезд — сверхновых — намного раньше, чем предполагалось ранее.

«Звезды-прародители»: начало всего

Представьте себе раннюю Вселенную: она была наполнена практически только водородом и гелием. Из этих простых элементов формировались первые звезды — так называемые звезды Популяции III. Эти гиганты жили недолго, но оставили после себя грандиозное наследие — тяжелые элементы, необходимые для создания планет и, как следствие, жизни. А знаете, что особенно важно? Они создали и воду!

Иллюстрация

Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com

Сверхновые: космические фабрики воды

Оказывается, в момент своей гибели, когда эти первые звезды взрывались, они создавали не только тяжелые элементы, но и воду. Но как? Позвольте объяснить: когда сверхновая расширяется и охлаждается, кислород из ее «остатков» вступает в реакцию с водородом и образуется вода.

Как это работает?

И тут мы подходим к самой интересной части: не вся вода формировалась одинаково. В наших ранних вселенных формировались так называемые «плотные облачные ядра», обогащенные водой. Именно эти плотные области были, вероятно, первоисточником воды, а не просто рассеянный газ.

Первичные взрывы сверхновых. Изображения размером в один килопарсек для CC SN массой 13 M⊙ в гало массой 1,1 x 10⁶ M⊙ через 1,2 миллиона лет после взрыва (a) и для PI SN массой 200 M⊙ в гало массой 2,2 x 10⁷ M⊙ через 0,7 миллиона лет после взрыва (b). Останки H II областей звёзд видны как газ с температурой 2000 — 10 000 К, а выбросы CC и PI видны как газ с температурой 10⁴ и 10⁵ К и радиусами ∼ 50 и 100 пк, соответственно. В конце моделирования остатки обоих сверхновых все еще находятся в пределах своих соответствующих H II областей. Цитирование: Daniel J. Whalen, Muhammad A. Latif, Christopher Jessop; arXiv:2501.02051 [astro-ph.GA]; DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2501.02051

Автор: D. J. Whalen, M. A. Latif, C. Jessop Источник: arxiv.org

Все начинается с взрыва сверхновой. Но взрывы бывают разные. Исследование выделяет два типа сверхновых: core-collapse (CC SN) и pair-instability (PI SN). Взрыв CC SN — это, если хотите, «классическая» сверхновая, когда массивная звезда выгорает до конца и ядро коллапсирует. PI SN — более экзотический тип, который возникает, когда очень массивная звезда становится нестабильной. Так вот, каждый из этих взрывов порождает свои уникальные условия, влияющие на формирование воды.

Вода, оседающая на «пылинки»

Интересно, что вода образуется не только в виде пара в окружающем пространстве, но и оседает на пылинки. Это особенно важно, ведь эти пылинки впоследствии могут стать строительными блоками для планет и, в конечном итоге, для нас.

Водяной пар в первичных гало. Изображения водяного пара размером в один килопарсек для CC SN массой 13 M⊙ через 90 миллионов лет после взрыва (a) и для PI SN массой 200 M⊙ через 3 миллиона лет после взрыва (b). Массовые доли рассеянного водяного пара в гало варьируются от 10^-14 до 10^-12 в CC SN и от 10^-12 до 10^-10 в PI SN. Плотные сгустки с гораздо большей массой воды видны как жёлтые пятна в центрах обоих изображений. Цитирование: Daniel J. Whalen, Muhammad A. Latif, Christopher Jessop; arXiv:2501.02051 [astro-ph.GA]; DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2501.02051

Автор: D. J. Whalen, M. A. Latif, C. Jessop Источник: arxiv.org

Что нам дают эти данные?

Исследование показало, что в самых ранних галактиках водяной пар достигал значительных концентраций, до 10-10 массы. Эти цифры могут показаться крошечными, но они значительно превышают концентрации в разреженных облаках нашей Галактики. Плотные облачные ядра, в которых концентрируется вода, могут стать колыбелями для формирования целых звездных систем, обогащенных водой.

Массовые доли воды в плотных облачных ядрах. Изображения массовых долей воды размером 3 пк и 0,1 пк в ядре CC SN через 90 миллионов лет (a) и в ядре PI SN через 3 миллиона лет (b). Цитирование: Daniel J. Whalen, Muhammad A. Latif, Christopher Jessop; arXiv:2501.02051 [astro-ph.GA]; DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2501.02051

Автор: D. J. Whalen, M. A. Latif, C. Jessop Источник: arxiv.org

А что насчет будущего?

В чем же дело? Эти открытия заставляют нас пересмотреть наши взгляды на раннюю Вселенную и роль первых звезд в создании необходимых условий для появления жизни. Это еще и открытие дает нам ключ к разгадке вопроса, насколько распространенной может быть жизнь во Вселенной.

Конечно, остаются еще нерешенные вопросы. Например, насколько долго вода сохранялась в этих ранних галактиках? Потребуется ли нам «дополнительное» вмешательство других звездных процессов для ее сохранения, или она просто впиталась в пыль, создав «кирпичики» для планет?

Заключение

Итак, когда в следующий раз вы будете пить воду, вспомните: возможно, эта вода — часть грандиозного космического цикла, начавшегося с первых взрывов звезд. Это не просто химическое соединение, а часть истории Вселенной и, возможно, ключ к пониманию нашего места в ней. Удивительно, не правда ли?