Vědci našli důkazy přítomnosti prvotní vody ukryté na okraji Sluneční soustavy

Na úvodním obrázku je umělecká představa ledového tělesa rozpadajícího se ve vnější Sluneční soustavě. Úlomky ze vzdálených objektů se nakonec mohou dostat do vnitřní části Sluneční soustavy v podobě meziplanetárního prachu. Sluneční soustava je vcelku „mokré“ místo.

Ačkoliv je většina zemského povrchu pokryta kapalnou vodou, ve srovnání s celkovým množstvím vody ve Sluneční soustavě jde jen o kapku v moři – přičemž značná část této vody je uvězněna ve formě ledu na měsících obřích planet.

Ve vnější Sluneční soustavě je ledu ještě více. Vzdáleny od tepla Slunce, miliony ledových těles tvořících Kuiperův pás za drahou Neptunu v sobě podle odhadů skrývají obrovské zásoby této látky. Vědci nyní nalezli důkazy, že přinejmenším část této vzdálené vody je zcela odlišná od vody, kterou známe zde na Zemi.

V hrsti prachových zrn, která na Zemi doputovala z Kuiperova pásu, se dochovaly stopy dávno ztracené vody nesoucí otisk prvotní chemie. To naznačuje, že zásobárna vody na okraji Sluneční soustavy zůstala v původním, nedotčeném stavu – nezasažena změnami, k nimž docházelo blíže ke Slunci.

Podle studie, kterou vedla planetoložka Lindsay Kellerová z Johnsonova vesmírného střediska NASA, jde o „přesvědčivý důkaz existence rozsáhlé zásobárny těžké vody za drahami plynných obrů, která byla do značné míry izolována od materiálu ve vnitřní části Sluneční soustavy.“

Kuiperův pás, který se nachází za dráhou Neptunu ve vzdálenosti zhruba 30 astronomických jednotek od Slunce – tedy 30násobku vzdálenosti Země od Slunce – představuje poněkud náročnou hranici Sluneční soustavy. Do jeho chladných a temných končin se vydalo jen velmi málo lidmi vyrobených těles.

Cesta tam trvá roky; přistání sondy nebo odběr vzorků a jejich doprava na Zemi by bylo tak nesmírně obtížné a nákladné – alespoň prozatím – že o něčem takovém vůbec nemůže být řeč. To je poněkud mrzuté, neboť se má za to, že kusy ledu a hornin v Kuiperově pásu patří k těm nejzachovalejším pozůstatkům rané Sluneční soustavy – z doby před zhruba 4,5 miliardami let, kdy se vše zformovalo z původního prachu a plynu. Naštěstí pro nás však ne všechno, co se nachází v Kuiperově pásu, tam také zůstává.

Ačkoliv to nevidíme, Sluneční soustava je plná kosmického prachu. Každý rok na Zemi dopadne odhadem 5 200 tun tohoto materiálu. A část tohoto prachu urazila, než se sem dostala, opravdu dlouhou cestu.

Kellerová se svými kolegy objevila 12 takových zrnek – každé o velikosti 10 až 30 mikrometrů – v materiálu, který ze zemské stratosféry odebrala výšková letadla NASA. Zde se však nabízí zajímavá a důležitá otázka: jak lze poznat, že prachové zrnko o velikosti mikrometrů, získané ze zemské stratosféry, skutečně doputovalo až z oblasti za drahou Neptunu?

Ve Sluneční soustavě o tom vypovídají „jizvy“ z cesty. V meziplanetárním prostoru totiž chybí ochrana v podobě atmosféry, která by zachytila silné záření přicházející ze Slunce – a sluneční energetické částice nezanechávají prach, s nímž přijdou do styku, v původním stavu.

Při průchodu prachovým zrnkem mohou energetické sluneční částice mírně vychýlit atomy v jejich krystalových mřížkách, čímž za sebou zanechávají charakteristickou stopu – podobně jako nabitá částice zanechává stopu v parách v mlžné komoře, ačkoliv fyzikální mechanismy jsou v obou případech odlišné.

Čím více takových stop minerál nashromáždil, tím déle putoval meziplanetárním prostorem. A tato metoda je poměrně spolehlivá. Na prach obíhající kolem Slunce působí tzv. Poyntingův-Robertsonův jev – jde o velmi slabý brzdný účinek slunečního záření, v jehož důsledku zrnka postupně ztrácejí energii a po spirále se přibližují ke Slunci.

Vědci tedy mohou spočítat stopy po radiaci a určit, zda dané zrnko strávilo ve vesmíru dostatek času na to, aby mohlo dorazit z velmi vzdálených končin Sluneční soustavy.

Zrnka, která Kellerová a její tým zkoumal, vykazovala hustotu stop přibližně stokrát vyšší, než jakou by měl mít prach pocházející z pásu planetek nebo z komet patřících do Jupiterovy rodiny. To naznačuje, že jejich původ je mnohem vzdálenější – možná až v Kuiperově pásu.

Minerální složení zrn poskytuje další vodítko – a jak vědci zjistili, skrývá v sobě tajemství prastaré vody, s níž se tato zrna setkala. Zrna byla mimořádně bohatá na uhlík; obsahovala ho zhruba čtyřikrát více než některé uhlíkaté meteority. To je další náznak, že vznikla za odlišných podmínek, daleko od Slunce.

V těchto zrnech se však nacházelo ještě něco dalšího, co nabídlo obzvláště zajímavou stopu k pochopení jejich historie – jíly. Mnohá zrna obsahovala jílové minerály, jako jsou saponit a serpentin, a také další hydratované minerály. Ty vznikají tehdy, když voda chemicky reaguje s jinými minerály a mění jejich složení.

Publikovaný snímek krystalu saponitu byl pořízen elektronovým mikroskopem s vysokým rozlišením, který odhaluje jeho vrstevnatou strukturu. Přítomnost tohoto minerálu v prachu z Kuiperova pásu naznačuje, že uvnitř mateřského tělesa kdysi existovala kapalná voda. To znamená, že v dávné minulosti musela uvnitř mateřských těles, z nichž pocházejí tato prachová zrna, existovat kapalná voda.

Ačkoliv je dnes Kuiperův pás zmrzlý, radioaktivní rozpad nebo teplo vznikající při srážkách mohly kdysi zahřát nitra některých tamních ledových těles natolik, že došlo k roztání vody, která pak mohla reagovat s okolními horninami.

Tato voda je již dávno pryč, avšak minerály obsažené ve zmíněných 12 zrnkách si uchovaly část kyslíku, který byl kdysi součástí jejích molekul. A právě zde se ukázalo, že daný materiál rozhodně nepochází z našeho sousedství.

Kyslík se vyskytuje v několika podobách, zvaných izotopy, které se liší počtem neutronů v atomových jádrech. Zdaleka nejrozšířenější je kyslík O-16, který má osm protonů a osm neutronů. Existují však i dva těžší, přirozeně se vyskytující stabilní izotopy: kyslík O-17 (osm protonů a devět neutronů) a kyslík O-18 (osm protonů a deset neutronů).

Poměrné zastoupení těchto izotopů se může lišit v závislosti na tom, kde a jak daný materiál vznikl, což po sobě zanechává jakýsi chemický otisk jeho historie.

Když Kellerová se svými spolupracovníky změřila izotopy kyslíku v prachových zrnech, zjistila neobvyklé obohacení o těžší varianty. Rekonstrukcí chemických reakcí, při nichž vznikly hydratované minerály, se vědcům podařilo odhadnout izotopové složení vody, která se na tomto procesu podílela.

Zjistili, že minerály převzaly těžší izotopy kyslíku z vody, která jimi musela být neobvykle bohatá – což představuje stopu prastarého rezervoáru, jenž existoval ve vnější části Sluneční soustavy před miliardami let. Tento izotopový podpis se výrazně lišil od složení vody, jaké bylo odvozeno z uhlíkatých meteoritů, které vznikly v jiných oblastech rané Sluneční soustavy.

To naznačuje, že voda ve vzdáleném Kuiperově pásu patřila k samostatné zásobárně, která zůstala do značné míry izolována od promíchávání a chemických změn probíhajících blíže ke Slunci. A vědci mají představu o tom, co mohlo tento stav udržet: obří planety.

Možná teď souhlasně přikyvujete a říkáte si: „Jasně, to zní jako Jupiter.“ Tentokrát však roli „strážce“ sehrál Saturn, který zabránil tomu, aby se prvotní voda z vnější Sluneční soustavy dostala do té vnitřní. Modely rané Sluneční soustavy naznačují, že Saturn mohl v disku plynu a prachu obklopujícím mladé Slunce vytvořit tlakový val, čímž zpomalil nebo dokonce zcela zastavil pohyb materiálu směrem dovnitř.

Saturn tak mohl společně s ledovými obry přispět k uchování rezervoáru vody, jehož izotopové složení se liší od materiálu obíhajícího blíže ke Slunci. Vědci již dlouho předpokládali, že v rané Sluneční soustavě existoval takový rezervoár vody bohaté na těžké izotopy kyslíku, avšak najít o něm důkazy bylo mimořádně obtížné.

Většina meteoritů, které máme k dispozici ke studiu, pocházejí z oblastí, kde rozsáhlé promíchávání a chemické proměny setřely původní izotopové charakteristiky. Je však možné, že nám tyto důkazy celou tu dobu ležely přímo před nosem.

Dvanáct zrnek se možná nezdá jako mnoho… dokud se nezamyslíte nad tím, jakou vzdálenost musela urazit a jakým způsobem byla shromážděna. V článku z roku 2022 Kellerová a její spoluautor George Flynn ze Státní univerzity v New Yorku odhadli, že až čtvrtina meziplanetárního prachu pronikajícího do vnitřní Sluneční soustavy může pocházet z Kuiperova pásu.

Někde v neustálém dešti kosmického prachu, který dopadá na Zemi, se mohou skrývat nespočetné další úlomky z nejranější historie Sluneční soustavy – poznamenané svou dlouhou cestou a nesoucí tajemství, která přečkala miliardy let.

Výzkum byl publikován v časopise Science Advances.

Zdroj: https://www.sciencealert.com/breaking-scientists-find-evidence-of-primordial-water-hidden-at-the-edge-of-the-solar-system

autor: František Martinek