Uzyskane proporcje dla komet mocno zachwiały naszymi dotychczasowymi przekonaniami o miejscach powstania i ewolucji dynamicznej tych ciał.

Dzięki teleskopowi Herschel poznaliśmy stosunek deuteru do wodoru (D/H) w dwóch kometach. W jednej, 103P/Hartley 2, proporcja ta okazała się podobna do mierzonej w ziemskich oceanach, zaś w drugiej, C/2009 P1 Garradd, wyższa. Były to wyniki bardzo zaskakujące. Dlaczego?

„Stosunek deuteru do wodoru jest dla danego obiektu wskazaniem miejsca, gdzie powstawał on na początku istnienia Układu Słonecznego” - wyjaśnia dr Sławomira Szutowicz z Zespołu Dynamiki Układu Słonecznego i Planetologii CBK PAN, współautorka prac dotyczących obu komet. W pierwotnej mgławicy, z której wyłaniało się Słońce, zachodziła odwracalna reakcja syntezy cząsteczek wody z udziałem zarówno wodoru, jak i deuteru.

W niskich temperaturach bardziej faworyzowana jest reakcja prowadząca do koncentracji deuteru w wodzie, stąd im dalej od Słońca powstawał obiekt, tym więcej powinno być tam deuteru w wodzie. Dalsza ewolucja stosunku deuteru do wodoru w funkcji odległości od Słońca była już wynikiem wzrostu ziaren i ich dynamiki w okresie już po powstaniu naszej gwiazdy. 

Kometa C/2009 P1 Garradd jest kometą długookresową i badacze często zaliczają ją do grupy komet pochodzących z tzw. Obłoku Oorta, które zgodnie z obowiązującymi poglądami uformowały się w zaraniu istnienia Układu Słonecznego, w pobliżu dużych planet gazowych – Jowisza, Saturna, Urana i Neptuna. Natomiast krótkookresowa kometa 103P/Hartley 2 należy do populacji komet, które powstawały w bardziej zewnętrznych częściach Układu Słonecznego, najpewniej dalej niż orbita Urana.

Dziś znamy ponad dwa tysiące komet. Do niedawna tylko dla kilku jasnych i aktywnych możliwe było zmierzenie D/H. Co ważne, wszystkie z nich identyfikowano z populacją komet związanych z Obłokiem Oorta. Według tych pomiarów – woda, główny składnik lodowych jąder komet, jest dwukrotnie bardziej bogata w deuter niż woda w ziemskich oceanach. Może wydawać się to paradoksalne, ale nie cała woda na naszej niebieskiej planecie jest tutaj od samego początku.

Istnieją różne teorie na temat tego w ilu etapach i w jakich ilościach akumulowała ziemska woda, a w końcu z jak odległych obszarów Układu Słonecznego pochodzi woda dostarczona na Ziemię już po jej uformowaniu. „Pierwotny lód wodny zachował się w obszarach Układu Słonecznego poza orbitą Marsa, skąd został dostarczony na Ziemię około 4 miliardy lat temu w okresie tzw. Wielkiego Bombardowania. Najpewniej istotnie uzupełnił znajdujące się już na Ziemi zasoby wody” – mówi dr Szutowicz.

Zgodnie z obecnymi poglądami, co najwyżej 10 procent ziemskiej wody pochodzi z upadków komet. Tymczasem ostatnie wyniki obserwacji kosmicznym teleskopem Herschel podważają ten utarty pogląd, wskazując, że upadki komet mogły odegrać znacznie większą rolę w historii Ziemi. W poszukiwaniu „dostawców” wody na Ziemię bardzo ważnym miernikiem jest deuter. Na Ziemi stosunek deuteru do wodoru wynosi w przybliżeniu 1:6400. Podobny stosunek tych dwóch izotopów posiadają planetoidy poruszające się w zewnętrznym rejonie Pasa Głównego Planetoid, czyli bliżej orbity Jowisza. Stąd też powszechnie to właśnie one uważane są za głównego dostawcę wody na Ziemi.

Teleskop Herschel umożliwił odkrycie, że woda na komecie Hartley 2 charakteryzuje się takim samym stosunkiem deuteru do wodoru, jak woda w ziemskich oceanach. Bliskie przejście w listopadzie 2010 tej komety w pobliżu Ziemi pozwoliło na bardzo precyzyjną rejestrację jej promieniowania w dalekiej podczerwieni, czyli na pomiar emisji wody oraz ciężkiej wody w takim zakresie widma, który nie jest osiągalny przy użyciu teleskopów naziemnych.

Ciężkiej wody jest bardzo niewiele w kometach, dlatego też strumień promieniowania jest niski i potrzebne są instrumenty o wysokiej czułości, takie jak HIFI na pokładzie Herschela.

„Nasze pomiary pokazały, że w wodzie komety Hartley 2 na jeden atom deuteru przypada 6200 atomów wodoru, czyli tak jak w wodzie ziemskiej (CBK130606b_rys01s.png). Stąd wniosek, że nie tylko kolizje z planetoidami, ale także komety powinny być poważnie brane pod uwagę w dyskusji o obiektach, które dostarczały w przeszłości wodę na Ziemię” - mówi dr Szutowicz. Powstają dodatkowe pytania, na które trudno odpowiedzieć. Czy niska wartość D/H wskazuje na to, że kometa Hartley 2 uformowała się znacznie bliżej Słońca niż dotąd sądzono? Czy obowiązująca teoria na temat rozkładu deuteru z odległością od Słońca powinna ulec zmianie?

Kolejne obserwacje kosmicznym teleskopem Herschel, tym razem emisji wody w długookresowej komecie C/2009 P1 Garradd, przyniosły kolejną niespodziankę. Nowe pomiary wyraźnie wskazały, że zawartość deuteru w tej populacji komet, a przynajmniej jej części, nie jest tak wysoka, jak dotychczas przyjmowano, chociaż wciąż większa niż w wodzie na Ziemi. „Stąd paradygmat o dużej wartości D/H dla wszystkich tzw. komet z Obłoku Oorta przestaje być słuszny, wskazując na znaczną izotopową ich różnorodność” - podkreśla dr Szutowicz.