अंतरिक्ष से पानी पृथ्वी तक कैसे पहुंचता है? एक ‘गोल्डीलॉक्स’ तारे ने खोला रहस्य

पानी के बिना, पृथ्वी पर जीवन का अस्तित्व नहीं हो सकता था. ब्रह्मांड में पानी के इतिहास को समझना यह समझने के लिए महत्वपूर्ण है कि पृथ्वी जैसे ग्रह कैसे बने. खगोलविद आमतौर पर अंतरिक्ष में अलग-अलग अणुओं के रूप में बनने से लेकर ग्रहों की सतहों तक पहुंचने तक की यात्रा को ‘पानी की यात्रा’ के रूप में संदर्भित करते हैं.

यह यात्रा तारों के बीच में पगडंडी की तरह हाइड्रोजन और ऑक्सीजन गैस के साथ शुरू होती है और ग्रहों पर महासागरों और बर्फ की चोटियों के साथ समाप्त होती है, इसमें बर्फीले चंद्रमा गैस भंडारों और बर्फीले धूमकेतुओं और क्षुद्रग्रहों की परिक्रमा करते हैं जो सितारों की परिक्रमा करते हैं. इस पगडंडी का आरंभ और अंत देखने में आसान है, लेकिन मध्य एक रहस्य बना हुआ है.

ग्रह कैसे बनते हैं

तारों और ग्रहों का निर्माण आपस में जुड़ा हुआ है. तथाकथित ‘अंतरिक्ष की शून्यता’ – या इंटरस्टेलर माध्यम – वास्तव में बड़ी मात्रा में गैसीय हाइड्रोजन, अन्य गैसों की थोड़ी मात्रा और धूल के कण होते हैं.

गुरुत्वाकर्षण के कारण, अंतरतारकीय माध्यम के कुछ हिस्से अधिक सघन हो जाते हैं क्योंकि कण एक दूसरे को आकर्षित करते हैं और बादलों का निर्माण करते हैं.

जैसे-जैसे इन बादलों का घनत्व बढ़ता है, अणु अधिक बार टकराने लगते हैं और बड़े अणुओं का निर्माण करते हैं, जिसमें पानी भी शामिल है जो धूल के दानों पर बनता है और धूल को बर्फ में ढक देता है.

तारे तब बनने लगते हैं जब ढहने वाले बादल के हिस्से एक निश्चित घनत्व तक पहुँच जाते हैं और हाइड्रोजन परमाणुओं को आपस में जोड़ना शुरू करने के लिए पर्याप्त गर्म हो जाते हैं. चूँकि गैस का केवल एक छोटा सा अंश नवजात प्रोटोस्टार में शुरू में ढह जाता है, बाकी गैस और धूल, नवजात तारे के चारों ओर चक्कर लगाते हुए सामग्री की एक चपटी डिस्क बनाती है.

खगोलविद इसे प्रोटो-ग्रहीय डिस्क कहते हैं. जैसे ही बर्फीले धूल के कण एक प्रोटो-प्लेनेटरी डिस्क के अंदर एक दूसरे से टकराते हैं, वे आपस में जुड़ने लगते हैं. यह प्रक्रिया जारी रहती है और अंततः अंतरिक्ष की परिचित वस्तुओं जैसे क्षुद्रग्रह, धूमकेतु, पृथ्वी जैसे चट्टानी ग्रह और बृहस्पति या शनि जैसे गैस दिग्गजों का निर्माण करती है.

पानी के स्रोत के लिए दो सिद्धांत

दो संभावित रास्ते हैं जो हमारे सौर मंडल में आने के लिए पानी द्वारा लिए हो सकते हैं. पहला, जिसे रासायनिक वंशानुक्रम कहा जाता है, वह है जब मूल रूप से इंटरस्टेलर माध्यम में बनने वाले पानी के अणुओं को बिना किसी बदलाव के प्रोटो-प्लेनेटरी डिस्क और उनके द्वारा बनाए गए सभी निकायों तक पहुँचाया जाता है.

दूसरे सिद्धांत को रासायनिक रीसेट कहा जाता है. इस प्रक्रिया में, प्रोटो-ग्रहीय डिस्क और नवजात तारे के निर्माण से निकलने वाली गर्मी पानी के अणुओं को तोड़ देती है, जो प्रोटो-ग्रहीय डिस्क के ठंडा होने पर फिर से बन जाते हैं.

इन सिद्धांतों का परीक्षण करने के लिए, मेरे जैसे खगोलविद सामान्य पानी और एक विशेष प्रकार के पानी के बीच के अनुपात को देखते हैं जिसे अर्ध-भारी पानी कहा जाता है.

पानी आमतौर पर दो हाइड्रोजन परमाणुओं और एक ऑक्सीजन परमाणु से बना होता है. अर्ध-भारी पानी एक ऑक्सीजन परमाणु, एक हाइड्रोजन परमाणु और ड्यूटेरियम के एक परमाणु से बना होता है – जो हाइड्रोजन का एक भारी समस्थानिक है जिसके नाभिक में एक अतिरिक्त न्यूट्रॉन होता है.

अर्ध-भारी से सामान्य पानी का अनुपात पानी के सफर का एक मार्गदर्शक प्रकाश है – अनुपात को मापने से खगोलविदों को पानी के स्रोत के बारे में बहुत कुछ पता चल सकता है.

रासायनिक मॉडल और प्रयोगों से पता चला है कि एक प्रोटोप्लेनेटरी डिस्क की तुलना में ठंडे इंटरस्टेलर माध्यम में लगभग 1,000 गुना अधिक अर्ध-भारी पानी का उत्पादन होगा.

इस अंतर का अर्थ है कि किसी स्थान पर अर्ध-भारी से सामान्य पानी के अनुपात को मापकर खगोलविद यह बता सकते हैं कि वह पानी रासायनिक विरासत या रासायनिक रीसेट मार्ग से चला गया या नहीं.

ग्रह के निर्माण के दौरान पानी को मापना धूमकेतु में अर्ध-भारी से सामान्य पानी का अनुपात लगभग पूरी तरह से रासायनिक विरासत के अनुरूप होता है, जिसका अर्थ है कि अंतरिक्ष में पहली बार बनाए जाने के बाद से पानी में कोई बड़ा रासायनिक परिवर्तन नहीं हुआ है.

पृथ्वी का अनुपात विरासत और रीसेट अनुपात के बीच कहीं बैठता है, जिससे यह स्पष्ट नहीं होता है कि पानी कहाँ से आया है.

वास्तव में यह निर्धारित करने के लिए कि ग्रहों पर पानी कहाँ से आता है, खगोलविदों को एक गोल्डीलॉक्स प्रोटो-प्लैनेटरी डिस्क खोजने की आवश्यकता थी – यह पानी के अवलोकन में मदद के लिए सही तापमान और आकार है. ऐसा करना अविश्वसनीय रूप से कठिन साबित हुआ है.

पानी के गैस होने पर अर्ध-भारी और सामान्य पानी का पता लगाना संभव है; दुर्भाग्य से खगोलविदों के लिए, प्रोटो-प्लांटरी डिस्क का अधिकांश भाग बहुत ठंडा होता है और इसमें ज्यादातर बर्फ होती है, और इंटरस्टेलर दूरी पर बर्फ से पानी के अनुपात को मापना लगभग असंभव है.

2016 में एक सफलता मिली, जब मेरे सहयोगी और मैं एक दुर्लभ प्रकार के युवा सितारे के चारों ओर प्रोटो-ग्रहीय डिस्क का अध्ययन कर रहे थे जिसे फू ओरियोनिस सितारे कहा जाता है. अधिकांश युवा तारे अपने चारों ओर के प्रोटो-ग्रहीय डिस्क से पदार्थ का उपभोग करते हैं.

एफयू ओरियोनिस सितारे अद्वितीय हैं क्योंकि वे विशिष्ट युवा सितारों की तुलना में लगभग 100 गुना तेजी से पदार्थ का उपभोग करते हैं और परिणामस्वरूप, सैकड़ों गुना अधिक ऊर्जा का उत्सर्जन करते हैं.

इस उच्च ऊर्जा उत्पादन के कारण, एफयू ओरियोनिस सितारों के आसपास के प्रोटो-ग्रहीय डिस्क बहुत अधिक तापमान तक गर्म हो जाते हैं, जो बर्फ को जल वाष्प में बदलकर तारे से बहुत दूर तक ले जाते हैं.

उत्तरी चिली में एक शक्तिशाली रेडियो टेलीस्कोप अटाकामा लार्ज मिलिमीटर/सबमिलीमीटर एरे का उपयोग करते हुए, हमने सूर्य जैसे तारे वी883 ओरी के चारों ओर एक बड़ी, गर्म प्रोटो-ग्रहीय डिस्क की खोज की, जो पृथ्वी से लगभग 1,300 प्रकाश वर्ष ओरियन तारामंडल में है.

वी883 ओरी सूर्य की तुलना में 200 गुना अधिक ऊर्जा का उत्सर्जन करता है, और मेरे सहयोगियों और मैंने माना कि यह अर्ध-भारी से सामान्य जल अनुपात का निरीक्षण करने के लिए एक आदर्श उम्मीदवार था.

जलमार्ग को पूरा करना

2021 में, अटाकामा लार्ज मिलीमीटर/सबमिलीमीटर ऐरे ने छह घंटे के लिए वी883 ओरी का माप लिया. डेटा ने वी883 ओरी के प्रोटो-प्लैनेटरी डिस्क से आने वाले अर्ध-भारी और सामान्य पानी के एक मजबूत हस्ताक्षर का खुलासा किया.

हमने अर्ध-भारी से सामान्य पानी के अनुपात को मापा और पाया कि अनुपात धूमकेतु में पाए गए अनुपात के साथ-साथ युवा प्रोटोस्टार सिस्टम में पाए गए अनुपात के समान था.

नए परिणाम निश्चित रूप से दिखाते हैं कि पृथ्वी पर पानी का एक बड़ा हिस्सा अरबों साल पहले सूर्य के प्रज्वलित होने से पहले बना था. ब्रह्मांड के माध्यम से पानी के रास्ते के इस लापता टुकड़े की पुष्टि करने से पृथ्वी पर पानी की उत्पत्ति का सुराग मिलता है.

वैज्ञानिकों ने सुझाव दिया है कि पृथ्वी पर अधिकांश पानी ग्रह को प्रभावित करने वाले धूमकेतुओं से आया है. तथ्य यह है कि पृथ्वी पर धूमकेतु और वी883 ओरी की तुलना में कम अर्ध-भारी पानी है, लेकिन रासायनिक रीसेट सिद्धांत से अधिक का उत्पादन होगा, इसका मतलब है कि पृथ्वी पर पानी एक से अधिक स्रोतों से आया है.

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