Durante casi cuatro años de observación del cosmos, el Observatorio Espacial Herschel rastreó la presencia de agua. Con su sensibilidad y resolución espectral sin precedentes en longitudes de onda clave, Herschel reveló esta molécula crucial en las nubes moleculares formadoras de estrellas, lo detectó por primera vez en las semillas de futuras estrellas y planetas, e identificó la entrega de agua de los desechos interplanetarios a los planetas de nuestro sistema solar.

El agua es esencial para la vida tal como la conocemos en la Tierra. Cubre más del 70 por ciento de la superficie de nuestro planeta y está presente en pequeñas cantidades en la atmósfera. Si bien puede parecer abundante, especialmente si miramos el tramo azul de un lago, mar u océano, el agua es solo un componente menor de la masa total de la Tierra.

De hecho, no está del todo claro si el agua que está actualmente presente en nuestro planeta azul estaba allí en el momento de su formación, Hace 4.6 mil millones de años, o fue entregado por impactos posteriores de objetos celestes más pequeños.

Según una de las principales teorías para explicar cómo nació el sistema solar, La Tierra y los planetas interiores estuvieron extremadamente calientes y secos durante los primeros cientos de millones de años después de su formación. En este escenario, El agua fue entregada a estos planetas solo más tarde por impactos violentos de cuerpos pequeños como meteoritos, asteroides, y / o cometas:los restos remanentes del disco protoplanetario a partir del cual tomaron forma los planetas y sus lunas.

Hay varias vías para investigar el origen de esta molécula crucial en nuestro planeta, ya sea siguiendo las pistas en nuestro vecindario cósmico, el sistema solar, o mirando los viveros estelares donde están naciendo análogos de nuestro sol y planetas.

Observatorio espacial Herschel de la ESA, una misión extraordinaria que se lanzó en 2009 y que observó el cielo en longitudes de onda infrarroja lejana y submilimétrica durante casi cuatro años, adoptó un enfoque integral, rastreando agua desde estrellas y planetas en formación a través de nuestra galaxia, la Vía Láctea, hasta planetas y cuerpos menores del sistema solar en nuestro propio bosque.

Agua en el universo

El agua se detectó por primera vez en nubes moleculares en formación de estrellas a fines de la década de 1960. En el momento, fue la sexta molécula interestelar en ser identificada, frente a los casi 200 que se conocen hasta la fecha.

Desde su descubrimiento, los astrónomos sospechaban que el agua estaría presente en una variedad de entornos cósmicos. Después de todo, Está compuesto por los dos elementos reactivos más abundantes que existen:el hidrógeno, que se remonta al Big Bang, y oxigeno, producido en los hornos de las estrellas a lo largo de la historia del Universo.

De hecho, Se ha observado agua en objetos celestes tan diversos como planetas, lunas estrellas, nubes formadoras de estrellas, e incluso más allá de nuestra Vía Láctea, en las cunas estelares de otras galaxias. Sin embargo, debido al vapor de agua presente en la atmósfera terrestre, estudiar esta molécula con observaciones astronómicas no es nada trivial.

Largo de las décadas, Los astrónomos han utilizado una amplia gama de instalaciones para estudiar el agua en el cosmos, desde observatorios terrestres en el clima seco de las cimas de las montañas y telescopios aéreos hasta experimentos en globos estratosféricos y observatorios espaciales e incluso en el transbordador espacial. Lejos del ambiente húmedo de nuestro planeta, un telescopio espacial es, por supuesto, la herramienta ideal para investigar el agua cósmica.

El primer satélite dedicado a este tema, Observatorio espacial infrarrojo (ISO) de la ESA, fue lanzado en 1995 y operado hasta 1998, poco seguido por el satélite de astronomía de ondas submilimétricas de la NASA (SWAS) y el telescopio espacial Spitzer, y por los dirigidos por Suecia, satélite internacional Odin.

Entrando en esta tradición de larga data, Herschel llevó la búsqueda del agua cósmica a nuevas alturas con una pieza fenomenal de hardware, el instrumento heterodino para infrarrojo lejano (HIFI), uno de los tres instrumentos a bordo.

Para revelar la presencia de una molécula en una fuente cósmica, los astrónomos buscan un conjunto de huellas dactilares muy distintivas, o líneas, en el espectro de la fuente, que son causadas por transiciones de rotación o vibración en la estructura de la molécula.

Estas líneas se observan dentro de un tramo del espectro electromagnético, cubriendo longitudes de onda de infrarrojos a microondas, dependiendo del tipo de molécula y su temperatura. En el caso del agua, algunas de las líneas más interesantes:las que corresponden a la configuración energética más baja de vapor de agua, en otras palabras, su estado terrestre o 'frío' - se encuentran en los rangos del infrarrojo lejano y submilimétrico, que son inaccesibles desde el suelo.

Especialmente diseñado para la búsqueda de agua y otras moléculas, El instrumento HIFI de Herschel tenía una resolución espectral sin precedentes que podía apuntar a unas 40 líneas de agua diferentes, cada uno procedente de una transición diferente de la molécula de agua y, por lo tanto, sensible a una temperatura diferente.

En particular, a diferencia de sus predecesores, Herschel era sensible a dos transiciones diferentes del estado fundamental del agua que corresponden a las dos formas de 'espín' de la molécula, llamado orto y para, en el que los espines de los núcleos de hidrógeno tienen diferentes orientaciones. Esta característica clave permitió a los astrónomos determinar las temperaturas bajo las cuales se formó el agua comparando las cantidades relativas de agua orto y para.

Dos de los programas clave del observatorio, el agua en las regiones de formación de estrellas con Herschel y el agua y la química relacionada en el sistema solar, dedicaron varios cientos de horas a la búsqueda del agua cósmica.

Aprovechando los datos destacados recopilados por HIFI, junto con las observaciones realizadas con los otros dos instrumentos de Herschel, la cámara y espectrómetro de matriz de fotodetectores (PACS) y el receptor de imágenes espectrales y fotométricas (SPIRE), Los astrónomos han podido ampliar enormemente nuestra comprensión del papel del agua en el Universo.

Agua en los progenitores de estrellas y planetas.

Si bien el vapor de agua en las regiones de formación de estrellas se conocía desde hace bastante tiempo, Herschel lo descubrió, por primera vez, en un núcleo preestelar, un trozo frío de material denso que luego se convertirá en una estrella. El núcleo preestelar, llamado Lynds 1544, se encuentra en la nube molecular de Tauro, una vasta región de gas y polvo que está incubando las semillas de futuras estrellas y planetas.

Con los datos de Herschel, Los astrónomos también pudieron estimar la cantidad de vapor de agua en Lynds 1544, el equivalente a más de 2000 veces el contenido de agua de los océanos de la Tierra. El vapor de agua proviene de granos de polvo helados, insinuando un depósito de más de mil veces más agua en forma de hielo. Si algún planeta va a emerger alrededor de la estrella que toma forma de este núcleo, es probable que parte del agua detectada por Herschel también llegue a los planetas.

En camino a convertirse en estrellas Los núcleos pre-estelares siguen acumulando materia de su nube madre hasta que se separan de ella, convirtiéndose en una protoestrella, un objeto independiente que colapsa por su propia gravedad. Normalmente, un disco giratorio de gas y polvo, un disco protoplanetario, toma forma alrededor de protoestrellas, proporcionando el material para la formación de planetas futuros. Finalmente, cuando las reacciones nucleares se encienden en el núcleo de la protoestrella, contrarrestar el colapso, nace una estrella en toda regla.

Herschel ha detectado agua en objetos que abarcan todas las etapas de la formación estelar, incluso en una gran cantidad de protoestrellas de baja masa que se encuentran en muchas regiones cercanas de formación de estrellas.

Por primera vez, Los astrónomos que utilizan Herschel han detectado vapor de agua fría en un disco protoplanetario. Si bien estudios anteriores habían revelado vapor de agua caliente en la parte interna de discos similares, o agua helada en sus afueras, Las observaciones de Herschel dirigidas al disco alrededor de la cercana estrella joven TW Hydrae fueron las primeras en identificar el vapor de agua fría. con temperaturas inferiores a 100 K, en tal objeto.

El vapor frío parece estar ubicado en una capa delgada a profundidades intermedias en el disco, donde la evaporación del gas y la congelación del hielo encuentran un equilibrio. Los datos indican una pequeña cantidad de vapor frío, equivalente a aproximadamente el 0,5 por ciento del agua de los océanos de la Tierra, pero apuntan a una reserva mucho más grande de hielo de agua - varios miles de océanos terrestres - en el disco.

Esta fue la primera evidencia de que se pueden almacenar grandes cantidades de hielo de agua en el precursor de un sistema planetario como el nuestro. contribuyendo así más evidencia para abordar el rompecabezas del origen del agua en la Tierra y otros planetas.

Agua en el sistema solar

Además de demostrar que el agua es un componente importante de las estrellas y los planetas desde su formación inicial, Herschel también siguió su rastro hasta nuestro vecindario local, el sistema solar.

Para comparar el agua que se encuentra en diferentes cuerpos celestes, los astrónomos analizan la abundancia relativa de moléculas con una composición ligeramente diferente. Más destacado, miran la relación D / H, comparando agua 'ordinaria', compuesto por dos átomos de hidrógeno (H) y uno de oxígeno (O), y agua semipesada, donde uno de los átomos de hidrógeno aparece como deuterio (D), una forma isotópica con un neutrón extra.

Antes de Herschel, esta medición se había realizado en un puñado de cometas, todos ellos se cree que se originan en la nube de Oort en las afueras de nuestro sistema solar, y todos ellos revelan proporciones más altas de deuterio al hidrógeno "normal" que el que se encuentra en los océanos de la Tierra. Estos resultados parecían sugerir que los cometas, restos helados de nuestro antiguo disco protoplanetario, no podrían haber sido la fuente del agua de nuestro planeta. mientras que una clase específica de meteoritos, llamadas condritas carbonáceas Cl, poseía la relación D / H "correcta" y, por lo tanto, parecía ser el principal culpable.

En 2011, Las observaciones de Herschel sobre el agua en el cometa 103P / Hartley 2 reabrieron este fascinante debate. Esta medición fue la primera de su tipo realizada para un cometa de la familia Júpiter, una clase de cometas con órbitas gobernadas por la gravedad de Júpiter y con un período mucho más corto con respecto a sus contrapartes de la nube de Oort, y reveló:por primera vez, agua con una proporción de deuterio a hidrógeno similar a la que se encuentra en nuestro planeta.

Herschel contribuyó con dos observaciones más al debate, encontrar un cometa de la familia Júpiter (45P / Honda-Mrkos- Pajdušáková) con agua similar a la de la Tierra, y un cometa de la nube de Oort (2009P1) con una mezcla diferente a la del agua de nuestro planeta.

La trama se espesó cuando la misión Rosetta de la ESA alcanzó el cometa 67P / Churyumov – Gerasimenko en 2014 y tomó muestras del contenido de agua en su atmósfera. El cometa de Rosetta también es uno de la familia de Júpiter pero, a diferencia de los dos observados por Herschel, no contiene agua similar a la de la Tierra; de lo contrario, resultó tener la relación D / H más alta jamás medida para un cometa.

Si bien Rosetta reveló que no todos los cometas de la familia Júpiter contienen agua similar a la de los océanos de nuestro planeta, Las detecciones anteriores de Herschel habían señalado de manera importante que existen cometas con la composición correcta y algunos podrían haber contribuido al presupuesto de agua de la Tierra. De hecho, Los modelos actuales indican que una amplia y diversa gama de cuerpos menores contribuyó al papel fundamental de llevar agua a nuestro planeta.

En otras partes del sistema solar, Herschel ha llegado a confirmar que al menos un cometa ha contribuido a enriquecer un planeta diferente, Júpiter, con agua. Al investigar la distribución del vapor de agua en la estratosfera del planeta gigante, Los astrónomos encontraron evidencia de que casi todo se debió al famoso impacto del cometa Shoemaker-Levy 9 en 1994.

Siguiendo el agua por todo el sistema solar, Herschel ha encontrado esta molécula en muchos más lugares, del planeta enano Ceres, el cuerpo más grande del cinturón de asteroides, a un toro gigante de vapor de agua que rodea a Saturno, que parece ser suministrada por Encelado, la pequeña luna del planeta. Según lo revelado por la misión Cassini de NASA / ESA / ASI, Encelado exhibe columnas de agua que se extraen del océano subterráneo que acechan bajo su corteza helada.

Más lejos del sol Herschel reveló superficies altamente reflectantes en varios objetos transneptunianos (TNO), lo que indica que el hielo de agua podría estar presente incluso en estos antiguos, objetos remotos. Si bien los TNO se remontan a la formación temprana de nuestro sistema solar, Los astrónomos sospechan que su brillante capa de hielo puede ser más reciente, una hipótesis especulativa pero no inviable dada la disponibilidad de agua en planetas exteriores como Urano y Neptuno. y en sus lunas mayores. Un revestimiento tan reciente también podría sugerir que la superficie de estos objetos `` muertos '' que se pensaba durante mucho tiempo puede estar viva, de hecho. como se destaca también por las observaciones in situ realizadas en 2015 por la sonda New Horizon de la NASA de otro TNO, el planeta enano Plutón.

panorama

A escalas mucho más grandiosas, más allá de nuestro sistema solar y los confines galácticos de la Vía Láctea, Herschel ha detectado agua en muchas otras galaxias. Como ya destacaron algunos de sus predecesores, los hallazgos corroboran el papel crucial de esta importantísima molécula en los procesos que conducen al nacimiento de estrellas en todo el cosmos.

Dada su composición química, el agua, como era de esperar, es omnipresente en el Universo, y, después de Herschel, ya no hay ninguna duda de que los senderos de agua cósmica recorren un largo camino, de planetas a estrellas, e incluso a la inmensidad del espacio interestelar.

Sin embargo, Herschel apenas ha comenzado a arañar la superficie del proverbial iceberg, habiendo manchado agua en fuentes cósmicas individuales que son, en muchos casos, Único en su clase. Estos emocionantes descubrimientos requieren encuestas futuras para dar seguimiento a las observaciones de Herschel, recolectando muestras más grandes de cada tipo de fuentes para escudriñar el agua y otras moléculas y profundizar en los mecanismos físicos subyacentes a su formación y entrega a través del cosmos.