Когда на самом деле во Вселенной появилась вода: ученые сделали неожиданное открытие

Вода могла появиться во Вселенной всего через 100–200 миллионов лет после Большого взрыва, когда вспыхнули первые сверхновые — умирающие звезды, способные производить значительные объемы воды, сообщает Science News со ссылкой на отчет, опубликованный в понедельник в журнале Nature Astronomy.
Самые древние из ранее наблюдавшихся следов воды появились примерно 780 миллионов лет назад после Большого взрыва. Однако, согласно новому исследованию, компьютерное моделирование показывает, что это необходимое условие для жизни существовало гораздо раньше, чем считали астрономы.

«Удивительно, но все ингредиенты для жизни присутствовали в центральных, высокоплотных областях облаков материи, образовавшихся в результате взрывов первых звезд вскоре после Большого взрыва», — прокомментировал астрофизик Дэниел Уэйлен из Университета Портсмута, Англия.

Как во Вселенной появилась вода?

Сегодня вода повсеместно присутствует во Вселенной, но вначале, около 13,8 миллиардов лет назад, Вселенная состояла в основном из водорода, гелия и небольшого количества лития. Для синтеза остальных элементов потребовались звездные печи. Некоторые элементы среднего класса, такие как углерод и кислород, синтезируются в ядрах звезд по мере их старения. Другие синтезируются в результате гибели звезд, например, при взрыве сверхновых или при бурных слияниях нейтронных звезд.

Однако для образования сложных молекул в значительных количествах необходимы относительно плотные условия и более низкие температуры, в идеале ниже нескольких тысяч градусов Цельсия.
«Вода — очень хрупкая молекула», — говорит астроном Фолькер Бромм из Техасского университета в Остине, который не принимал участия в новом исследовании. «Поэтому вопрос заключается в том, были ли условия для его формирования на столь раннем этапе истории Вселенной».

Компьютерное моделирование жизни и смерти первых двух поколений звезд во Вселенной

Чтобы выяснить, существовала ли вода в ранней Вселенной, Уэйлен и его коллеги провели компьютерное моделирование жизни и смерти первых двух поколений звезд во Вселенной. Астрономы полагают, что первые звезды были гораздо массивнее и имели гораздо более короткую продолжительность жизни, чем звезды последующих поколений, и по этой причине группа смоделировала жизнь и смерть звезды массой в 13 солнечных масс и еще одной в 200 солнечных масс. В конце своей короткой жизни эти гигантские звезды взорвались как сверхновые и разбросали по Вселенной многочисленные химические элементы, включая кислород и водород.

Моделирование показало, что по мере того, как поле материи, выброшенное сверхновой, расширялось и достаточно охлаждалось, кислород реагировал с водородом и диводородом, что приводило к появлению водяного пара в полях материи, образовавшихся в результате взрывов.

Эти химические процессы происходили медленно, поскольку плотность атомов во внешних областях поля вещества, выброшенного при взрыве сверхновой, была очень низкой. Такая низкая плотность означала, что маловероятно, что два элемента встретятся и образуют сложную молекулу за относительно короткий промежуток времени.

Концентрация воды в плотных структурах

Однако спустя несколько миллионов лет или десятков миллионов лет в случае меньших звезд центральные области полей обломков после взрывов сверхновых стали достаточно холодными для образования воды. Таким образом, вода начала быстро накапливаться, поскольку в тех областях облаков, которые образовались после взрывов, плотность частиц была достаточно высокой для того, чтобы атомы могли часто встречаться.

«Концентрация воды в плотных структурах — это для меня решающий фактор». Общая масса образовавшейся воды была не столь велика. «Но вода имеет высокую концентрацию в плотных ядрах, и это самые интересные структуры в области, образовавшиеся после взрыва сверхновой, потому что именно там могут коагулировать новые звезды и новые планеты», — пояснил Уэйлен.

В конце моделирования сверхновая меньшей звезды произвела массу воды, эквивалентную трети всей воды на Земле, в то время как сверхновая большей звезды создала количество воды, эквивалентное 330 Землям. В принципе, по словам Уэйлена, если планета образуется в области с более высокой плотностью обломков, оставшихся после взрыва крупной сверхновой, это будет мир с обилием воды, как и Земля.