Тайна астероидной воды: как серебро и протоны творят чудеса

Где только не находят воду учёные! Оказывается, даже на безжизненных "камнях", бороздящих просторы космоса, может существовать влага. Но как она там появляется? Ведь астероиды — это огромные кучи породы, у которых нет ни атмосферы, ни магнитного поля, чтобы укрыться от палящего Солнца и радиации. Ответ может крыться в удивительной «космической алхимии» с участием обычного песка, серы и благородного серебра.

Группа российских физиков из Института космических исследований РАН предложила новый механизм образования воды прямо в поверхностном слое астероидов. Их исследование отвечает на вопрос, который долгое время ставил ученых в тупик.

Главная проблема: два попадания в одну точку

Давно известно, что вода на безатмосферных телах (например, на Луне) может создаваться под действием солнечного ветра — потока заряженных частиц, в основном протонов, которые испускает наше светило. Эти протоны врезаются в поверхность астероида и «застревают» в его грунте (реголите). Там они соединяются с кислородом, образуя гидроксильные группы (OH), а в идеале — и полноценную молекулу воды (H₂O).

Но есть проблема. Чтобы получилась вода, нужно, чтобы в одно и то же место попали сразу два протона. Первый создает гидроксил, а второй должен присоединиться к нему. В масштабах атома это событие крайне маловероятно. Это как если бы две пули попали точно в одну и ту же песчинку. Кроме того, связь кислорода с кремнием в кварце (основе астероидного грунта) настолько прочна, что просто так её не разорвать.

Сера и серебро приходят на помощь

Авторы исследования нашли элегантный обходной путь. Секрет кроется в присутствии в грунте двух компонентов: диоксида кремния (SiO₂, проще говоря, кварцевого песка) и сульфида серебра (Ag₂S).

Сера — химический «близнец» кислорода. У них похожее строение внешних электронных оболочек. Поэтому атом серы в определенных условиях может заменить атом кислорода в кристаллической решетке кварца. 

Механизм, предложенный учеными, работает как хорошо смазанный конвейер и требует всего одного протона:

Затравка. Протон солнечного ветра попадает в то место грунта, где в частице кварца (SiO₂) оказалась молекула сульфида серебра (Ag₂S). Энергии протона хватает, чтобы разорвать связь кремний-кислород. Освободившийся кислород тут же хватает протон, превращаясь в гидроксильную группу (OH).

Рокировка. В дело вступает сера. Атом серы из сульфида серебра, пользуясь химическим сходством с кислородом, занимает его место в кристаллической решетке, связываясь с кремнием.

Освобождение. В результате этого обмена кислород, теперь уже в составе гидроксила (OH), оказывается связанным с серебром. Образуется молекула гидроксида серебра (AgOH). Эта молекула покидает исходную решетку кварца.

Финал. Гидроксид серебра — вещество нестойкое. Ему не нужно ждать второго протона. Он легко реагирует с любым доступным водородом (например, блуждающим атомом, в который превратился протон из того же солнечного ветра), превращаясь в самую настоящую молекулу воды (H₂O) и чистый металл — серебро.

Почему это важно?

Этот механизм переворачивает прежнее представление о появлении воды на астероидах. Вместо невероятного совпадения (два протона в одну точку) мы имеем дело с закономерным процессом: протон попадает в зону контакта двух минералов, а дальше химия работает сама.

Кроме того, это объясняет, почему воду на астероидах так трудно заметить сразу. Она не лежит на поверхности в виде льда (он бы быстро испарился в вакууме под лучами Солнца). Вода образуется и остаётся включенной внутрь частичек грунта, в их тончайшем поверхностном слое.

Это проливает свет на то, как вода могла попасть на раннюю Землю, сделав её пригодной для жизни. Астероиды были своего рода «космическими танкерами», доставлявшими воду и органику на молодые планеты. Раньше предполагали, что воду на Землю принесли кометы, но расчёты количества принесённой воды не сходились.

Кроме того, наличие воды меняет физические свойства реголита. Она повышает его способность испускать электроны под действием солнечного света (фотоэффект). Это, в свою очередь, влияет на поведение космической пыли над поверхностью астероида, формируя особую плазменно-пылевую среду, которую будущим исследователям придется учитывать при посадке или заборе грунта.

Так что, возможно, секрет воды (а может быть и жизни) кроется не только во льдах далёких комет, но и в скромном химическом взаимодействии кварца и сульфида серебра под воздействием солнечного ветра.

По материалам статьи А.Ю. Дубинского, С.И. Попеля, Ю.С. Резниченко «К вопросу об образовании воды на астероидах»