Tijdens bijna vier jaar observeren van de kosmos, de Herschel Space Observatory traceerde de aanwezigheid van water. Met zijn ongekende gevoeligheid en spectrale resolutie bij belangrijke golflengten, Herschel onthulde dit cruciale molecuul in stervormende moleculaire wolken, ontdekte het voor het eerst in de zaden van toekomstige sterren en planeten, en identificeerde de levering van water van interplanetair puin aan planeten in ons zonnestelsel.

Water is essentieel voor het leven zoals we het op aarde kennen. Het beslaat meer dan 70 procent van het oppervlak van onze planeet en is in sporen aanwezig in de atmosfeer. Hoewel het misschien overvloedig lijkt, vooral als we kijken naar het blauw getinte stuk van een meer, zee of oceaan, water is slechts een klein onderdeel van de totale massa van de aarde.

In feite, het is helemaal niet duidelijk of het water dat momenteel aanwezig is op onze blauwe planeet er was rond de tijd van zijn vorming, 4,6 miljard jaar geleden, of het is geleverd door latere inslagen van kleinere hemellichamen.

Volgens een van de leidende theorieën om te verklaren hoe het zonnestelsel is ontstaan, De aarde en de binnenplaneten waren de eerste paar honderd miljoen jaar na hun vorming extreem heet en droog. In dit scenario, water werd pas later aan deze planeten geleverd door gewelddadige inslagen van kleine lichamen zoals meteorieten, asteroïden, en/of kometen - het resterende puin van de protoplanetaire schijf waaruit de planeten en hun manen vorm kregen.

Er zijn verschillende manieren om de oorsprong van dit cruciale molecuul op onze planeet te onderzoeken, ofwel het volgen van de aanwijzingen in onze kosmische omgeving - het zonnestelsel - of kijkend naar de sterrenkraamkamers waar analogen van onze zon en planeten worden geboren.

ESA's Herschel Space Observatory, een buitengewone missie die in 2009 werd gelanceerd en die de hemel bijna vier jaar lang observeerde op ver-infrarood- en submillimetergolflengten, een integrale aanpak gevolgd, het traceren van water van sterren en planeten in de vorming over ons Melkwegstelsel naar planeten en kleine zonnestelsellichamen in onze eigen nek van het bos.

Water in het universum

Eind jaren zestig werd voor het eerst water gedetecteerd in stervormende moleculaire wolken. Destijds, het was het zesde interstellaire molecuul dat werd geïdentificeerd, vergeleken met de bijna 200 die tot nu toe bekend zijn.

Sinds zijn ontdekking, astronomen vermoedden dat water in verschillende kosmische omgevingen aanwezig zou zijn. Ten slotte, het bestaat uit de twee meest voorkomende reactieve elementen die er zijn:waterstof, die teruggaat tot de oerknal, en zuurstof, geproduceerd in de ovens van sterren gedurende de geschiedenis van het heelal.

In feite, water is waargenomen in hemellichamen zo divers als planeten, manen, sterren, stervormende wolken, en zelfs buiten onze Melkweg, in de stellaire wiegen van andere sterrenstelsels. Echter, door de waterdamp in de atmosfeer van de aarde, het bestuderen van dit molecuul met astronomische waarnemingen is allesbehalve triviaal.

In de loop van de decennia, astronomen hebben een breed scala aan faciliteiten gebruikt om water in de kosmos te bestuderen, van observatoria op de grond in het droge klimaat van bergtoppen en telescopen in de lucht tot experimenten op stratosferische ballonnen en ruimteobservatoria en zelfs op de Space Shuttle. Ver van de vochtige omgeving van onze planeet, een ruimtetelescoop is natuurlijk het ideale hulpmiddel om kosmisch water te onderzoeken.

De eerste satelliet gewijd aan dit onderwerp, ESA's Infrared Space Observatory (ISO), werd gelanceerd in 1995 en werkte tot 1998, kort gevolgd door NASA's Submillimeter Wave Astronomy Satellite (SWAS) en Spitzer Space Telescope, en door de Zweedse geleide, internationale Odin-satelliet.

Door in te stappen in deze lang gevestigde traditie, Herschel duwde de zoektocht naar kosmisch water naar nieuwe hoogten met een fenomenaal stuk hardware, het Heterodyne Instrument for the Far Infrared (HIFI) – een van de drie instrumenten aan boord.

Om de aanwezigheid van een molecuul in een kosmische bron te onthullen, astronomen zoeken naar een reeks zeer onderscheidende vingerafdrukken, of lijnen, in het spectrum van de bron, die worden veroorzaakt door rotatie- of trillingsovergangen in de structuur van het molecuul.

Deze lijnen worden waargenomen binnen een deel van het elektromagnetische spectrum, die infrarood tot microgolfgolflengten bestrijken, afhankelijk van het type molecuul en de temperatuur ervan. In het geval van water, enkele van de meest interessante lijnen - degenen die overeenkomen met de laagste energetische configuratie van waterdamp, met andere woorden, de grond of 'koude' staat - wordt gevonden in het verre-infrarood en submillimeterbereik, die vanaf de grond onbereikbaar zijn.

Speciaal ontworpen voor de jacht op water en andere moleculen, Het HIFI-instrument van Herschel had een ongekende spectrale resolutie die gericht kon zijn op ongeveer 40 verschillende waterlijnen, elk afkomstig van een andere overgang van het watermolecuul en dus gevoelig voor een andere temperatuur.

Vooral, in tegenstelling tot zijn voorgangers, Herschel was gevoelig voor twee verschillende overgangen van de grondtoestand van water die overeenkomen met de twee 'spin'-vormen van het molecuul, ortho en para genoemd, waarin de spins van de waterstofkernen verschillende oriëntaties hebben. Dankzij dit belangrijke kenmerk konden astronomen de temperaturen bepalen waaronder het water werd gevormd door de relatieve hoeveelheden ortho- en para-water te vergelijken.

Twee van de belangrijkste programma's van het observatorium - Water in stervormingsgebieden met Herschel en Water en gerelateerde chemie in het zonnestelsel - wijdden honderden uren aan de zoektocht naar kosmisch water.

Gebruikmakend van de uitstekende gegevens verzameld door HIFI, samen met observaties uitgevoerd met de twee andere instrumenten van Herschel, de fotodetector-arraycamera en -spectrometer (PACS) en de spectrale en fotometrische beeldverwerkingsontvanger (SPIRE), astronomen hebben ons begrip van de rol van water in het heelal aanzienlijk kunnen vergroten.

Water in de voorouders van sterren en planeten

Terwijl waterdamp in stervormingsgebieden al geruime tijd bekend was, Herschel ontdekte het, Voor de eerste keer, in een pre-stellaire kern - een koude klomp dicht materiaal die later in een ster zal veranderen. De pre-stellaire kern, genaamd Lynds 1544, bevindt zich in de Taurus moleculaire wolk, een uitgestrekt gebied van gas en stof dat de zaden van toekomstige sterren en planeten incubeert.

Met de Herschel-gegevens, astronomen konden ook de hoeveelheid waterdamp in Lynds 1544 schatten - het equivalent van meer dan 2000 keer het watergehalte van de oceanen op aarde. De waterdamp is afkomstig van ijzige stofkorrels, zinspeelt op een reservoir van meer dan duizend keer meer water in de vorm van ijs. Als er planeten rond de ster moeten verschijnen die vorm aanneemt vanuit deze kern, het is waarschijnlijk dat een deel van het door Herschel gedetecteerde water ook zijn weg naar de planeten zal vinden.

Op weg om sterren te worden, pre-stellaire kernen blijven materie uit hun bovenliggende wolk aantrekken totdat ze ervan scheiden, veranderen in een protoster, een onafhankelijk object dat bezwijkt onder zijn eigen zwaartekracht. Normaal gesproken, een roterende schijf van gas en stof – een protoplanetaire schijf – vormt zich rond protosterren, het leveren van het materiaal voor de vorming van toekomstige planeten. Eindelijk, wanneer kernreacties ontbranden in de kern van de protoster, het tegengaan van de ineenstorting, een volwaardige ster is geboren.

Herschel heeft water gespot in objecten die alle stadia van stervorming omvatten, waaronder in een groot aantal protosterren met een lage massa die in veel nabijgelegen stervormingsgebieden worden gevonden.

Voor de eerste keer, astronomen die Herschel gebruiken, hebben koude waterdamp gedetecteerd in een protoplanetaire schijf. Terwijl eerdere studies ofwel hete waterdamp in het binnenste deel van soortgelijke schijven hadden onthuld, of waterijs in hun buitenwijken, Herschels waarnemingen gericht op de schijf rond de nabije jonge ster TW Hydrae waren de eerste die koudwaterdamp identificeerden, met temperaturen lager dan 100 K, in zo'n object.

De koude damp lijkt zich in een dunne laag op tussenliggende diepten in de schijf te bevinden, waar de verdamping van gas en het bevriezen van ijs een evenwicht vinden. De gegevens wijzen op een kleine hoeveelheid koude damp, gelijk aan ongeveer 0,5 procent van het water in de oceanen van de aarde, maar wijzen op een veel groter reservoir van waterijs - enkele duizenden aardse oceanen - in de schijf.

Dit was het eerste bewijs dat grote hoeveelheden waterijs kunnen worden opgeslagen in de voorloper van een planetair systeem als het onze, waardoor er meer bewijs wordt geleverd om de puzzel over de oorsprong van water op aarde en andere planeten aan te pakken.

Water in het zonnestelsel

Behalve dat het bewijst dat water sinds hun vroege vorming een belangrijk bestanddeel is van sterren en planeten, Herschel volgde zijn spoor ook helemaal naar onze buurt, het zonnestelsel.

Om water in verschillende hemellichamen te vergelijken, astronomen analyseren de relatieve abundantie van moleculen met een iets andere samenstelling. Met name, ze kijken naar de D/H-verhouding, 'gewoon' water vergelijken, samengesteld uit twee waterstof (H) en één zuurstof (O) atomen, en halfzwaar water, waarbij een van de waterstofatomen verschijnt als deuterium (D), een isotopische vorm met een extra neutron.

Voor Herschel, deze meting was uitgevoerd op een handvol kometen, ze dachten allemaal dat ze afkomstig waren uit de Oortwolk aan de rand van ons zonnestelsel, en ze onthullen allemaal hogere verhoudingen van deuterium tot 'normale' waterstof dan die in de oceanen van de aarde. Deze resultaten leken te suggereren dat kometen - ijzige overblijfselen van onze oude protoplanetaire schijf - niet de bron van het water van onze planeet konden zijn, terwijl een specifieke klasse van meteorieten, genaamd Cl koolstofhoudende chondrieten, bezat de 'juiste' D/H-verhouding en leek dus de hoofdschuldige te zijn.

In 2011, Herschels waarnemingen van water in komeet 103P/Hartley 2 heropenden dit fascinerende debat. Deze meting was de eerste in zijn soort die werd uitgevoerd voor een komeet uit de Jupiter-familie - een klasse van kometen met banen die worden bepaald door de zwaartekracht van Jupiter en met een veel kortere periode ten opzichte van hun tegenhangers in de Oort-wolk - en onthulde:Voor de eerste keer, water met een verhouding van deuterium tot waterstof die vergelijkbaar is met die op onze planeet.

Herschel droeg nog twee opmerkingen bij aan het debat, het vinden van een Jupiter-familie komeet (45P/Honda-Mrkos-Pajdušáková) met aardachtig water, en een Oort-wolk komeet (2009P1) met een andere mix dan die van het water van onze planeet.

De plot werd dikker toen ESA's Rosetta-missie in 2014 komeet 67P/Churyumov-Gerasimenko bereikte en het watergehalte in de atmosfeer bemonsterde. Rosetta's komeet is ook een Jupiter-familie, maar, in tegenstelling tot de twee waargenomen door Herschel, het bevat geen aardachtig water; Integendeel, het bleek de hoogste D/H-verhouding te hebben die ooit voor een komeet is gemeten.

Terwijl Rosetta onthulde dat niet alle kometen van de Jupiter-familie water bevatten dat vergelijkbaar is met dat van de oceanen van onze planeet, De eerdere detecties van Herschel hadden er in belangrijke mate op gewezen dat kometen met de juiste samenstelling bestaan ​​en dat sommige inderdaad hebben bijgedragen aan het waterbudget van de aarde. In feite, de huidige modellen geven aan dat een breed en divers scala aan kleine lichamen hebben bijgedragen aan de cruciale rol om water naar onze planeet te brengen.

Elders in het zonnestelsel, Herschel heeft zelfs bevestigd dat ten minste één komeet heeft bijgedragen aan het verrijken van een andere planeet - Jupiter - met water. Door de verdeling van waterdamp in de stratosfeer van de reuzenplaneet te onderzoeken, astronomen hebben bewijs gevonden dat bijna alles werd geleverd door de beroemde inslag van komeet Shoemaker-Levy 9 in 1994.

Door water door het hele zonnestelsel te volgen, Herschel heeft dit molecuul op veel meer plaatsen gevonden, van de dwergplaneet Ceres, het grootste lichaam in de asteroïdengordel, naar een gigantische torus van waterdamp die Saturnus omringt, die lijkt te worden geleverd door de kleine maan Enceladus van de planeet. Zoals onthuld door de NASA/ESA/ASI Cassini-missie, Enceladus vertoont waterpluimen die uit de ondergrondse oceaan op de loer liggen onder zijn ijzige korst.

Verder weg van de zon, Herschel onthulde sterk reflecterende oppervlakken op verschillende Trans-Neptunian Objects (TNO's), wat aangeeft dat er zelfs op deze oude, objecten op afstand. Hoewel TNO's dateren uit de vroege vorming van ons zonnestelsel, astronomen vermoeden dat hun heldere ijslaag misschien recenter is - een speculatieve maar niet onhaalbare hypothese gezien de beschikbaarheid van water op buitenplaneten zoals Uranus en Neptunus, en op hun grote manen. Zo'n recente coating zou ook kunnen suggereren dat het oppervlak van deze lang gedacht 'dode' objecten in feite levend kan zijn, zoals ook blijkt uit de in-situ-waarnemingen die in 2015 zijn uitgevoerd door NASA's New Horizon-sonde van een andere TNO, de dwergplaneet Pluto.

Outlook

Op veel grotere schaal, buiten ons zonnestelsel en de galactische grenzen van de Melkweg, Herschel heeft water gedetecteerd in veel andere sterrenstelsels. Zoals reeds door enkele van zijn voorgangers werd benadrukt, de bevindingen bevestigen de cruciale rol van dit uiterst belangrijke molecuul in de processen die leiden tot de geboorte van sterren in de kosmos.

Gezien de chemische samenstelling, het is niet verwonderlijk dat water alomtegenwoordig is in het heelal, en, na Herschel, het lijdt geen twijfel meer dat kosmische waterpaden een lange weg gaan, van planeten tot sterren, en zelfs tot de uitgestrektheid van de interstellaire ruimte.

Echter, Herschel is nog maar net begonnen aan het oppervlak van de spreekwoordelijke ijsberg, water hebben gezien in individuele kosmische bronnen die, vaak, een uit duizenden. Deze opwindende ontdekkingen vragen om toekomstige onderzoeken om de waarnemingen van Herschel op te volgen, het verzamelen van grotere monsters van elk type bronnen om water en andere moleculen nauwkeurig te onderzoeken en de fysieke mechanismen te onderzoeken die ten grondslag liggen aan hun vorming en levering in de kosmos.