Сонячна система є досить вологим місцем.

Хоча більшість поверхні Землі покрита рідкою водою, це лише крапля в океані в порівнянні з усім обсягом, що міститься в Сонячній системі – більшість з нього заморожена в місяцях великих планет.

Зовнішня частина Сонячної системи ще більш крижана. Далеко від тепла Сонця, мільйони крижаних об'єктів, що складають пояс Койпера за межами Нептуна, вважаються джерелом величезної кількості води.

Тепер вчені знайшли докази того, що деяка з цієї віддаленої води є абсолютно унікальною в порівнянні з водою, яку ми маємо на Землі.

У кількох частинках пилу, які потрапили на Землю з поясу Койпера, залишилися сліди давно втраченого води, що має ознаки первісної хімії – це свідчить про те, що резервуар води на краю Сонячної системи залишався незайманим, не піддаючись змінам, які відбувалися ближче до Сонця.

Згідно з дослідженням, проведеним планетарним вченим Ліндсі Келлером з Центру космічних польотів імені Джонсона NASA, це "переконливі докази наявності великого резерву важкої води за межами орбіт газових гігантів, який в основному був ізольований від матеріалів внутрішньої сонячної системи".

Пояс Койпера за межами орбіти Нептуна знаходиться приблизно на 30 астрономічних одиниць від Сонця – це 30 разів більше, ніж відстань від Землі до Сонця.

Дуже мало створених людиною апаратів відправлялися в його холодні, темні простори.

Це займає роки, щоб туди дістатися; посадка зонда або збір зразків для відправки на Землю було б настільки астрономічно складним і дорогим, що – поки що – це зовсім неможливо.

Це досить прикро, адже шматочки льоду та каменю, що знаходяться в поясі Койпера, вважаються одними з найменш змінених залишків ранньої Сонячної системи, оскільки вона сформувалася з сонячного амніотичного пилу та газу близько 4,5 мільярдів років тому.

На щастя для нас, не все в поясі Койпера залишається там.

Ми не можемо це бачити, але Сонячна система сповнена космічного пилу. Приблизно 5200 метричних тонн цього матеріалу щорічно падає на Землю. І деяка з цього пилу подолала дуже довгий шлях, щоб потрапити сюди.

Келлер і його колеги знайшли 12 таких частинок, кожна з яких має розмір від 10 до 30 мікрометрів, у матеріалах, зібраних з стратосфери за допомогою літаків NASA.

Але це піднімає цікаве і важливе питання: як можна визначити, що мікронний пил, витягнутий з стратосфери Землі, походить з-за меж орбіти Нептуна?

У Сонячній системі все залежить від слідів подорожі. У міжпланетному просторі немає атмосферного захисту від потужної радіації, що надходить від Сонця – і сонячні енергетичні частинки не залишають відкритий пил без наслідків.

Коли частинка пилу проходить через пил, сонячні енергетичні частинки можуть зрушити атоми в їх кристалічних решітках, залишаючи помітний слід. Чим більше таких слідів має мінерал, тим більше часу він провів у міжпланетному просторі.

Вчені можуть підрахувати сліди радіації та визначити, чи частинка провела достатньо часу в космосі, щоб подолати відстань з далеких куточків Сонячної системи.

Частинки, виявлені Келлером і його командою, мали щільність слідів приблизно в 100 разів більшу, ніж очікувалося для пилу з поясу астероїдів або комет сімейства Юпітера – що відповідає походженню з набагато більшої відстані, з поясу Койпера.

Мінеральний склад частинок також дає ще одну підказку – і, як виявили дослідники, містить секрет давньої води, яку вони виявили.

Частинки були надзвичайно багаті вуглецем, містячи приблизно в чотири рази більше, ніж певні вуглецеві метеорити – ще один показник того, що вони сформувалися в інших умовах, далеко від Сонця.

Але в частинках було ще щось, що дало особливо цікаву підказку про їхню історію – глина.

Багато з частинок містили такі глини, як сапоніт і серпентиніт, а також інші гідратовані мінерали, які утворюються, коли вода хімічно реагує з іншими мінералами, змінюючи їх склад.

Це означає, що в якийсь момент у далекому минулому рідка вода повинна була існувати всередині батьківських тіл, з яких походять частинки пилу.

Хоча пояс Койпера сьогодні заморожений, радіоактивний розпад або тепло, що виникає внаслідок зіткнень, могли колись нагрівати внутрішні частини деяких його крижаних об'єктів настільки, щоб розтопити воду, дозволяючи їй реагувати з навколишньою породою.

Ця вода давно зникла, але мінерали в 12 частинках зберегли деякий кисень, який колись був частиною її молекул. І тут починається те, що не з цього світу.

Кисень має кілька різновидів, які називаються ізотопами, які відрізняються кількістю нейтронів у їх атомних ядрах. Найбільш поширеним є кисень-16, з восьмома протонами та восьмома нейтронами. Але також є два важчі, природно стабільні ізотопи: кисень-17, з восьмома протонами та дев'ятьма нейтронами, і кисень-18, з восьмома протонами та десятьма нейтронами.

Відносні пропорції цих ізотопів можуть змінюватися в залежності від того, де і як матеріал сформувався, залишаючи свого роду хімічний відбиток його історії.

Коли Келлер і його колеги виміряли ізотопи кисню в частинках пилу, вони виявили незвичайне збагачення важчими варіантами.

Відтворивши хімічні реакції, які утворили гідратовані мінерали, дослідники змогли оцінити ізотопний склад води, відповідальної за це.

Вони виявили, що мінерали успадкували важкі ізотопи кисню з води, яка, ймовірно, була незвично багатою ними – зберігаючи підпис давнього резерву, що існував у зовнішній Сонячній системі мільярди років тому.

Ізотопний підпис був явно відмінним від води, що походить з вуглецевих метеоритів, які сформувалися в інших регіонах ранньої Сонячної системи.

Це свідчить про те, що вода в далекому поясі Койпера належала до окремого резервуару, який залишався в основному ізольованим від змішування та хімічних змін, що відбувалися ближче до Сонця.

І дослідники мають ідею про те, що могло б зберегти це: великі планети.

Ви, напевно, думаєте, так, це звучить як Юпітер. Але цього разу це Сатурн, який діє як воротар, утримуючи первісну воду зовнішньої Сонячної системи від переходу в внутрішню Сонячну систему.

Моделі ранньої Сонячної системи свідчать про те, що Сатурн міг створити тиск у диску газу та пилу, що оточував молоде Сонце, сповільнюючи або навіть зупиняючи матеріал від дрейфу всередину.

Таким чином, разом з крижаними гігантами, Сатурн міг допомогти зберегти резервуар води з ізотопним підписом, відмінним від матеріалів, що циркулюють ближче до Сонця.

Вчені давно підозрювали, що такий резервуар важкої води з високим вмістом кисню існував у ранній Сонячній системі, але знайти докази цього було надзвичайно важко.

Більшість метеоритів, доступних для дослідження, походять з регіонів, де широке змішування та хімічні зміни затуманили оригінальні ізотопні підписи.

Але ці докази могли б дрейфувати прямо під нашими носами весь цей час.

Дванадцять частинок можуть не здаватися великою кількістю… поки ви не врахуєте, як далеко вони повинні були подорожувати і як їх зібрали. У дослідженні 2022 року Келлер і співавтор Джордж Флін з Державного університету Нью-Йорка оцінили, що до чверті міжпланетного пилу, що потрапляє в внутрішню Сонячну систему, могло подорожувати з поясу Койпера.

Десь у постійному дощі космічного пилу, що падає на Землю, можуть бути безліч інших фрагментів найранішої історії Сонячної системи, пошкоджених під час подорожі та несучи секрети, які пережили мільярди років, щоб опинитися у вашому водостоку.

Дослідження було опубліковано в Science Advances.