האם שביט קדום מחזיק את סוד מקור המים של כדור הארץ?

במרחבי החלל העצומים, אי שם מעבר למסלולו של נפטון, שוכנת ממלכה קפואה ועתיקה המכונה "עננת אורט". זהו אזור המאכלס מיליארדי גופים קפואים, שרידים בראשיתיים מהערפילית הסולארית שממנה נוצרה מערכת השמש שלנו לפני כ-4.5 מיליארד שנים. הגופים הללו, המכונים שביטים, הם מעין "קפסולות זמן" קוסמיות, השומרים בתוכם את המתכון הכימי המקורי של שכונתנו הגלקטית. מדי פעם, הפרעה כבידתית קלה שולחת את אחד מהגופים הללו למסע ארוך אל לב מערכת השמש, מסע שבסופו הוא עשוי לחלוף על פנינו ולהשאיר אחריו שובל זוהר של אבק וגז, ותשובות לשאלות עתיקות יומין.

אחת השאלות הגדולות והמהותיות ביותר לקיומנו היא גם אחת הפשוטות שבהן: מאיפה הגיעו המים לכדור הארץ? אותם מים שמילאו את האוקיינוסים, הניעו את גלגלי האבולוציה, והפכו את כוכב הלכת שלנו לנווה מדבר כחול ונדיר ביקום. מחקר חדש ופורץ דרך, שהתמקד באחד מאותם אורחים קפואים מהעבר, השביט 12P/Pons-Brooks, מספק כעת את אחת הראיות המרגשות והמשכנעות ביותר לכך שהתשובה לשאלה זו אכן חקוקה בקרח של אותם נוודים קוסמיים.

השביט 12P, שביט מסוג "האלי" (Halley-type comet) עם זמן הקפה של כ-71 שנים, הוא בדיוק סוג האובייקט שמדענים קיוו לחקור. מסלולו הארוך מביא אותו מהקפאה העמוקה של קצה מערכת השמש, מה שמבטיח שהרכבו הכימי נשאר כמעט ללא שינוי מאז היווצרו. כשהוא מתקרב לשמש, הקרח שעל פניו מתאדה בתהליך הנקרא המראה (Sublimation), ויוצר הילה ענקית של גז ואבק, המכונה "הילה" (Coma). ההילה הזו היא מעין מעבדה כימית טבעית, חלון הצצה נדיר להרכב המולקולרי של היקום הקדום.

תיאוריית "ההפגזה הכבדה המאוחרת" גורסת כי בשלבים המוקדמים של מערכת השמש, כדור הארץ הצעיר והיבש הופגז ללא הרף על ידי שביטים ואסטרואידים, אשר הביאו איתם מים ורכיבים אורגניים. אך כיצד ניתן לאשר זאת? המפתח טמון ב"טביעת האצבע" הכימית של המים. רוב מולקולות המים שאנו מכירים מורכבות משני אטומי מימן רגיל ואטום חמצן אחד (H₂O). אולם, בטבע קיים איזוטופ, גרסה כבדה יותר של מימן, הנקרא דאוטריום (D). מדי פעם, אטום דאוטריום מחליף אטום מימן ויוצר מולקולת "מים כבדים-למחצה" (HDO). היחס בין כמות הדאוטריום למימן הרגיל (יחס D/H) הוא חתימה ייחודית, מעין "ברקוד" כימי, המשתנה בין סביבות שונות במערכת השמש. אם יחס ה-D/H בשביטים תואם לזה שבאוקיינוסים שלנו, זוהי ראיה חזקה למקור משותף.

בעבר, מדידות משביטים אחרים הניבו תוצאות מאכזבות. חלקם הראו יחס D/H גבוה פי שניים או שלושה מזה של מי הים, מה שהצביע על כך שהם לא יכלו להיות המקור העיקרי למים שלנו. כאן נכנס לתמונה כוחו של מערך הטלסקופים ALMA) Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) בצ'ילה. באמצעות רגישותו חסרת התקדים, צוות המדענים הצליח לבצע משימה שנחשבה כמעט בלתי אפשרית: למפות לראשונה את הפיזור המדויק של H₂O ושל HDO הנדיר בהילת הגז של השביט 12P. הם יכלו לראות בבירור שהמולקולות משתחררות ישירות מגרעין השביט ובאותם אזורים, מה שהבטיח שהמדידה שלהם אמינה ומייצגת את הרכבו המקורי של השביט.

מפות פליטה של H2O ו-HDO בשביט 12P/Pons-Brooks של ALMA. קוביות התמונה שולבו ספקטרלית, הופחתו על ידי רצף, וממורכזות בשיא הרצף התרמי. הפרדת הקונטורה היא 5σ עבור H2O, ו-1σ עבור HDO, כאשר הוא רעש ה-RMS של כל מפה. פאנלים מוכנסים (מימין למעלה) מראים את פרופילי שטף הקווים הספקטרלי (Sν) שחולצו בנקודת ההתחלה, כפונקציה של מהירות קומטוצנטרית (V) הרזולוציה המרחבית (קרן FWHM) מוצגת למטה משמאל, וכיווני וקטורי השביט-שמש (המוקרנים לשמיים) ומסלול השביט מוצגים למטה מימין. צירי הקואורדינטות הם היסטים (בקילומטרים) המוקרנים לשמיים משיא הרצף, מיושרים עם רשת העלייה הימנית (RA) והנטייה (Dec) / Nature Astronomy

התוצאה, שפורסמה בכתב העת היוקרתי Nature Scientific Reports, הייתה לא פחות ממחשמלת. יחס ה-D/H שנמדד בשביט 12P/Pons-Brooks עומד על (1.71 ± 0.44)×10⁻⁴. המספר הזה, על אף היותו קטן, הוא בעל משמעות אדירה, מכיוון שהוא תואם באופן מושלם ליחס ה-D/H הממוצע במי האוקיינוסים של כדור הארץ. זוהי הפעם הראשונה שמדידה כה מדויקת וחד משמעית מתקבלת משביט ממאגר חיצוני קדום של מערכת השמש, ככל הנראה מעננת אורט, מאגר השביטים המרוחק ביותר.

ממצאים אלו בולטים במיוחד על רקע מדידות קודמות משביטים אחרים. כך למשל, השביט צ'וריומוב-גרסימנקו (67P/Churyumov- Gerasimenko), שנחקר על ידי משימת רוזטה, הציג יחס דאוטריום-מימן גבוה משמעותית מזה של מי האוקיינוסים, ממצא שחיזק בעבר את הספקנות לגבי תרומת השביטים למקור המים הארציים. גם מדידות משביטי “משפחת צדק” הצביעו על שונות כימית ניכרת, עם יחסי D/H הקרובים לעיתים לערך הארצי ולעיתים חורגים ממנו. על רקע זה, המדידה משביט 12P/Pons-Brooks מציעה תמונה מורכבת ועשירה יותר של מקורות המים במערכת השמש.

בהקשר זה, הישג נוסף וחשוב במיוחד של המחקר הנוכחי הוא עצם השיטה: השימוש ב-ALMA לא הסתפק במדידה ספקטרלית כוללת, אלא אפשר מיפוי מרחבי של התפלגות מולקולות H₂O ו-HDO בהילת השביט. היכולת להראות ששני סוגי המים משתחררים מאותם אזורים בגרעין השביט מחזקת מאד את אמינות המדידה, ומבדילה אותה ממדידות קודמות שהסתמכו על ממוצעים גלובליים בלבד. זהו הישג מתודולוגי משמעותי, שמעניק למסקנות המחקר משקל נוסף וממקם אותו כצעד חשוב קדימה בחקר מקור המים בכדור הארץ.

הגילוי אינו שולל מקורות נוספים, אך מחזק באופן דרמטי את תרומת השביטים. הוא קושר קשר ישיר בין העבר הרחוק של מערכת השמש להווה שלנו. הוא מספר סיפור על מסע ארוך של גושי קרח קדמוניים, שנשאו בתוכם את המרכיב החיוני ביותר לחיים, ונדדו ברחבי החלל עד שלבסוף, חלקם מצאו את דרכם לכדור הארץ הצעיר והצחיח והעניקו לו את המתנה היקרה מכל. כל טיפת מים שאנו שותים היום, כל נהר שזורם, כל ענן בשמיים, עשויים להכיל בתוכם זיכרון עמום מאותו מסע קוסמי ארוך, שהחל בקרח של שביט קדום, אי שם בקצה מערכת השמש. והודות למדע, אנו זוכים כעת להצצה מרגשת אל אותו סיפור בראשית.

המחקר: A D/H Ratio Consistent with Earth's Water in Halley-type Comet 12P from ALMA HDO Mapping