На протяжении десятилетий ученые-планетологи задавались вопросом о происхождении океанов Земли, которые покрывают 70% ее поверхности — гораздо больше, чем у любой другой каменистой планеты нашей Солнечной системы. Согласно одной из теорий, один из видов водоносных космических камней, астероид класса C (углеродистый), мог принести воду на нашу планету на последних этапах ее формирования 4,6 миллиарда лет назад. Чтобы проверить эту теорию, ученые проанализировали изотопные отпечатки кусочков астероидов класса C, которые упали на Землю в виде богатых водой углеродистых хондритов.
Если соотношение водорода и дейтерия в воде этих метеоритов соответствовало соотношению в земной воде, то метеориты класса С становились вероятным источником. Проблема в том, что эта теория была верна только для некоторых метеоритов; в среднем изотопные отпечатки не совпадали (земная вода легче). Это означает, что часть воды на планете действительно поступает из метеоритов, но она также поступает из другого, до сих пор не обнаруженного источника.
Чтобы разгадать эту загадку, исследователи из Университета Глазго решили изучить образцы космических пород другого типа: астероиды класса S, состоящие в основном из силикатов и вращающиеся по орбите ближе к Солнцу, чем астероиды класса C. Проанализированные образцы были взяты с астероида Итокава, который обращается вокруг Солнца за 18 месяцев, и были собраны японским космическим зондом «Хаябуса», который вернул их на Землю в 2010 году. Анализ был проведен с помощью атомно-зондовой томографии — метода, который позволяет получить трехмерное изображение материала и измерить его химический состав с высокой чувствительностью.
В результате команда смогла изучить атомную структуру зерен образца на глубине до 50 нанометров под их поверхностью и обнаружила, что значительное количество воды было образовано прямо под поверхностью в результате «космической эрозии»: заряженные частицы от Солнца (солнечный ветер) изменили химический состав этих зерен, образовав молекулы воды. Их измерения показывают, что эти крошечные фрагменты горных пород содержали количество воды, соответствующее примерно 20 литрам на м³ породы.
Солнечные ветры — это потоки частиц, состоящие в основном из ионов водорода и гелия, которые постоянно вылетают из Солнца в космос. «Когда эти ионы попадают на поверхность безвоздушного тела, например, астероида или частицы космической пыли, они проникают в пределах нескольких десятков нанометров от поверхности, где могут повлиять на химический состав породы«, — объясняет доктор Люк Дейли, старший преподаватель Университета Глазго и ведущий автор исследования.
Со временем этот эффект эрозии может привести к выбросу достаточного количества атомов кислорода из материала породы для образования молекул воды, которые остаются в ловушке в минералах астероида. «Важно отметить, что эта вода, полученная из солнечного ветра и произведенная в ранней Солнечной системе, изотопно легкая«, — говорит эксперт. Однако, прежде чем началась аккреция планетезималей, солнечная туманность была особенно богата космической пылью; эта облученная пыль, которая, следовательно, богата водой, должна была упасть на первобытную Землю в момент ее формирования. Таким образом, Солнце внесло значительный вклад в появление воды на Земле, наряду с астероидами класса С.
Исследователи отмечают, что их результаты были проверены в ходе дальнейших экспериментов с другими образцами, предоставленными НАСА и другими университетскими лабораториями. «Мы хотели быть уверены в точности получаемых результатов. Я представил наши предварительные результаты на конференции Lunar and Planetary Science в 2018 году и спросил, не могут ли коллеги там помочь нам подтвердить наши результаты на собственных образцах«, — объясняет Дейли. Команда смогла подтвердить, что следы воды, наблюдаемые на зернах Итокавы, действительно имеют внеземное происхождение.
Эти результаты стали настоящим прорывом для ученых. «Всего десять лет назад идея о том, что облучение солнечным ветром имеет отношение к объяснению происхождения воды в Солнечной системе или даже океанов Земли, была бы встречена скептически«, — отмечает профессор Джон Брэдли, соавтор исследования. Но это исследование впервые демонстрирует, что вода может производиться на поверхности астероида на месте; это еще одно доказательство того, что взаимодействие солнечного ветра с зернами пыли, богатыми кислородом, действительно приводит к образованию воды.
Открытие также важно для потенциальных будущих миссий по исследованию космоса: оценки количества воды, которое может содержаться в эродированных поверхностях космических тел, позволяют предположить, что будущие исследователи потенциально смогут делать запасы воды непосредственно из поверхностной пыли даже на самых засушливых планетах. «Мы считаем разумным предположить, что тот же процесс космической эрозии, который привел к образованию воды на Итокава, в той или иной степени происходил на многих безвоздушных мирах, таких как Луна или астероид Веста«, — отмечают исследователи.
В частности, команда упоминает проект NASA Артемида: если на лунной поверхности есть подобный резервуар воды, питаемый солнечным ветром, это будет огромный и ценный ресурс для создания постоянной базы на Луне.