p Durante quase quatro anos de observação do cosmos, o Observatório Espacial Herschel rastreou a presença de água. Com sua sensibilidade e resolução espectral sem precedentes nos principais comprimentos de onda, Herschel revelou esta molécula crucial em nuvens moleculares formadoras de estrelas, detectou pela primeira vez nas sementes de futuras estrelas e planetas, e identificou o fornecimento de água de detritos interplanetários para planetas em nosso sistema solar. p A água é essencial para a vida como a conhecemos na Terra. Cobre mais de 70 por cento da superfície do nosso planeta e está presente em pequenas quantidades na atmosfera. Embora possa parecer abundante, especialmente se estivermos olhando para o trecho em tons de azul de um lago, mar ou oceano, a água é apenas um componente menor da massa total da Terra.

p Na verdade, não está claro se a água que está atualmente presente em nosso planeta azul estava lá na época de sua formação, 4,6 bilhões de anos atrás, ou foi entregue por impactos posteriores de objetos celestes menores.

p De acordo com uma das principais teorias para explicar como o sistema solar surgiu, A Terra e os planetas internos ficaram extremamente quentes e secos nas primeiras centenas de milhões de anos após sua formação. Neste cenário, a água foi entregue a esses planetas apenas mais tarde por impactos violentos de pequenos corpos, como meteoritos, asteróides, e / ou cometas - os fragmentos restantes do disco protoplanetário a partir do qual os planetas e suas luas tomaram forma.

p Existem vários caminhos para investigar a origem desta molécula crucial em nosso planeta, ou seguindo as pistas em nossa vizinhança cósmica - o sistema solar - ou olhando para os berçários estelares onde análogos do nosso sol e planetas estão nascendo.

p Observatório Espacial Herschel da ESA, uma missão extraordinária que foi lançada em 2009 e que observou o céu em comprimentos de onda infravermelhos e submilimétricos por quase quatro anos, adotou uma abordagem abrangente, rastreando a água de estrelas e planetas em formação em nossa galáxia, a Via Láctea, até planetas e corpos menores do sistema solar em nosso próprio bosque.

p Água no universo

p A água foi detectada pela primeira vez em nuvens moleculares formadoras de estrelas no final dos anos 1960. No momento, foi a sexta molécula interestelar a ser identificada, em comparação com os quase 200 que são conhecidos até hoje.

p Desde sua descoberta, astrônomos suspeitavam que a água estaria presente em uma variedade de ambientes cósmicos. Afinal, é composto dos dois elementos reativos mais abundantes que existem - hidrogênio, que remonta ao Big Bang, e oxigênio, produzido nas fornalhas das estrelas ao longo da história do Universo.

p Na verdade, água foi observada em objetos celestes tão diversos quanto planetas, luas, estrelas, nuvens formadoras de estrelas, e mesmo além da nossa Via Láctea, nos berços estelares de outras galáxias. Contudo, devido ao vapor de água presente na atmosfera terrestre, estudar esta molécula com observações astronômicas é tudo menos trivial.

p Ao longo das décadas, astrônomos usaram uma ampla gama de instalações para estudar a água no cosmos, de observatórios baseados em terra no clima seco de topos de montanhas e telescópios aéreos a experimentos em balões estratosféricos e observatórios espaciais e até mesmo no ônibus espacial. Longe do ambiente úmido de nosso planeta, um telescópio espacial é, obviamente, a ferramenta ideal para investigar a água cósmica.

p O primeiro satélite dedicado a este tópico, Observatório Espacial Infravermelho (ISO) da ESA, foi lançado em 1995 e operou até 1998, logo seguido pelo Submillimeter Wave Astronomy Satellite (SWAS) e Spitzer Space Telescope, e pelo sueco liderado, satélite internacional Odin.

p Entrando nesta tradição de longa data, Herschel levou a busca da água cósmica a novas alturas com uma peça fenomenal de hardware, o Heterodyne Instrument for the Far Infrared (HIFI) - um dos três instrumentos a bordo.

p Para revelar a presença de uma molécula em uma fonte cósmica, astrônomos procuram um conjunto de impressões digitais muito distintas, ou linhas, no espectro da fonte, que são causadas por transições de rotação ou vibração na estrutura da molécula.

p Essas linhas são observadas dentro de um trecho do espectro eletromagnético, cobrindo comprimentos de onda de infravermelho a microondas, dependendo do tipo de molécula e sua temperatura. No caso da água, algumas das linhas mais interessantes - aquelas que correspondem à configuração energética mais baixa do vapor de água, em outras palavras, seu estado fundamental ou "frio" - são encontrados nas faixas do infravermelho distante e submilímetro, que são inacessíveis do solo.

p Projetado especialmente para a caça de água e outras moléculas, O instrumento HIFI de Herschel tinha uma resolução espectral sem precedentes que podia atingir cerca de 40 linhas de água diferentes, cada um vindo de uma transição diferente da molécula de água e, portanto, sensível a uma temperatura diferente.

p Em particular, ao contrário de seus predecessores, Herschel foi sensível a duas transições diferentes do estado fundamental da água que correspondem às duas formas de 'spin' da molécula, chamado orto e para, em que os spins dos núcleos de hidrogênio têm orientações diferentes. Esta característica chave permitiu aos astrônomos determinar as temperaturas sob as quais a água se formou, comparando as quantidades relativas de água orto e para.

p Dois dos principais programas do observatório - Água em regiões de formação de estrelas com Herschel e Água e Química Relacionada no sistema solar - dedicaram várias centenas de horas à busca pela água cósmica.

p Explorando os dados pendentes coletados pelo HIFI, junto com as observações realizadas com os outros dois instrumentos de Herschel, a câmera fotodetectora e espectrômetro (PACS) e o receptor de imagens fotométricas e espectrais (SPIRE), os astrônomos foram capazes de expandir enormemente nossa compreensão do papel da água no Universo.

p Água nos progenitores de estrelas e planetas

p Embora o vapor de água nas regiões de formação de estrelas fosse conhecido há muito tempo, Herschel descobriu isso, pela primeira vez, em um núcleo pré-estelar - uma massa fria de material denso que mais tarde se transformará em uma estrela. O núcleo pré-estelar, chamado Lynds 1544, está localizado na nuvem molecular de Taurus, uma vasta região de gás e poeira que está incubando as sementes de futuras estrelas e planetas.

p Com os dados do Herschel, astrônomos também podem estimar a quantidade de vapor d'água em Lynds 1544 - o equivalente a mais de 2.000 vezes o conteúdo de água dos oceanos da Terra. O vapor de água deriva de grãos de poeira gelada, sugerindo um reservatório de mais de mil vezes mais água na forma de gelo. Se quaisquer planetas surgirem em torno da estrela tomando forma a partir deste núcleo, é provável que parte da água detectada pelo Herschel também chegue aos planetas.

p A caminho de se tornarem estrelas, núcleos pré-estelares continuam agregando matéria de sua nuvem-mãe até que se separem dela, transformando-se em uma protoestrela, um objeto independente que está entrando em colapso sob sua própria gravidade. Normalmente, um disco giratório de gás e poeira - um disco protoplanetário - toma forma em torno de proto-estrelas, fornecendo o material para a formação de planetas futuros. Finalmente, quando as reações nucleares se acendem no núcleo da proto-estrela, neutralizando o colapso, nasce uma estrela de pleno direito.

p Herschel detectou água em objetos em todos os estágios da formação estelar, incluindo em um grande número de protoestrelas de baixa massa encontradas em muitas regiões próximas de formação de estrelas.

p Pela primeira vez, astrônomos usando Herschel detectaram vapor de água fria em um disco protoplanetário. Embora estudos anteriores tenham revelado vapor de água quente na parte interna de discos semelhantes, ou água gelada em seus arredores, As observações de Herschel visando o disco em torno da jovem estrela TW Hydrae foram as primeiras a identificar o vapor de água fria, com temperaturas inferiores a 100 K, em tal objeto.

p O vapor frio parece estar localizado em uma camada fina em profundidades intermediárias no disco, onde a evaporação do gás e o congelamento do gelo encontram um equilíbrio. Os dados indicam uma pequena quantidade de vapor frio, equivalente a cerca de 0,5 por cento da água nos oceanos da Terra, mas aponte para um reservatório muito maior de gelo de água - vários milhares de oceanos terrestres - no disco.

p Esta foi a primeira evidência de que grandes quantidades de gelo de água podem ser armazenadas no precursor de um sistema planetário como o nosso, contribuindo assim com mais evidências para resolver o quebra-cabeça da origem da água na Terra e outros planetas.

p Água no sistema solar

p Além de provar que a água é um importante constituinte de estrelas e planetas desde sua formação inicial, Herschel também seguiu sua trilha até nosso bairro local, o sistema solar.

p Para comparar a água encontrada em diferentes corpos celestes, os astrônomos analisam a abundância relativa de moléculas com uma composição ligeiramente diferente. Mais notavelmente, eles olham para a razão D / H, comparando a água 'comum', composto de dois átomos de hidrogênio (H) e um de oxigênio (O), e água semi-pesada, onde um dos átomos de hidrogênio aparece como deutério (D), uma forma isotópica com um nêutron extra.

p Antes de Herschel, esta medição foi realizada em um punhado de cometas, todos eles pensados ​​para se originar na nuvem de Oort na periferia do nosso sistema solar, e todos eles revelando proporções mais altas de deutério em relação ao hidrogênio "normal" do que as encontradas nos oceanos da Terra. Esses resultados parecem sugerir que os cometas - restos de gelo de nosso antigo disco protoplanetário - não podem ter sido a fonte da água do nosso planeta, enquanto uma classe específica de meteoritos, chamados condritos carbonáceos Cl, possuía a razão D / H 'certa' e, portanto, parecia ser o principal culpado.

p Em 2011, As observações de Herschel sobre a água no Cometa 103P / Hartley 2 reabriram este debate fascinante. Esta medição foi a primeira de seu tipo realizada para um cometa da Família Júpiter - uma classe de cometas com órbitas governadas pela gravidade de Júpiter e com um período muito mais curto em relação às suas contrapartes da nuvem de Oort - e revelou, pela primeira vez, água com uma proporção de deutério para hidrogênio semelhante à encontrada em nosso planeta.

p Herschel contribuiu com mais duas observações para o debate, encontrar um cometa da Família Júpiter (45P / Honda-Mrkos- Pajdušáková) com água semelhante à da Terra, e um cometa nuvem de Oort (2009P1) com uma mistura diferente da água do nosso planeta.

p A trama ficou mais complicada quando a missão Rosetta da ESA alcançou o Cometa 67P / Churyumov – Gerasimenko em 2014 e amostrou o conteúdo de água em sua atmosfera. O cometa de Rosetta também é da família de Júpiter, mas, ao contrário dos dois observados por Herschel, não contém água semelhante à da Terra; pelo contrário, revelou-se ter a maior razão D / H já medida para um cometa.

p Embora Rosetta tenha revelado que nem todos os cometas da família de Júpiter contêm água semelhante à dos oceanos do nosso planeta, As detecções anteriores de Herschel apontaram de maneira importante que existem cometas com a composição certa e que alguns podem de fato ter contribuído para o orçamento de água da Terra. Na verdade, os modelos atuais indicam que uma ampla e diversa gama de corpos menores contribuiu para o papel crítico de trazer água para o nosso planeta.

p Em outro lugar do sistema solar, Herschel chegou a confirmar que pelo menos um cometa contribuiu para enriquecer um planeta diferente - Júpiter - com água. Ao investigar a distribuição do vapor de água na estratosfera do planeta gigante, astrônomos encontraram evidências de que quase tudo foi entregue pelo famoso impacto do cometa Shoemaker-Levy 9 em 1994.

p Seguindo a água em todo o sistema solar, Herschel encontrou esta molécula em muitos outros lugares, do planeta anão Ceres, o maior corpo do cinturão de asteróides, a um toro gigante de vapor de água em torno de Saturno, que parece ser fornecido pela pequena lua do planeta Enceladus. Conforme revelado pela missão NASA / ESA / ASI Cassini, Enceladus exibe plumas de água extraídas do oceano subterrâneo à espreita sob sua crosta gelada.

p Mais longe do sol, Herschel revelou superfícies altamente refletivas em vários Objetos Trans-Neptunianos (TNOs), indicando que o gelo de água pode estar presente mesmo nestes antigos, objetos remotos. Embora os TNOs datem da formação inicial do nosso sistema solar, astrônomos suspeitam que seu revestimento de gelo brilhante pode ser mais recente - uma hipótese especulativa, mas não inviável, dada a disponibilidade de água em planetas externos como Urano e Netuno, e em suas luas principais. Tal revestimento recente também pode sugerir que a superfície desses objetos "mortos" há muito pensados ​​pode de fato estar viva, conforme destacado também pelas observações in situ realizadas em 2015 pela sonda New Horizon da NASA de outro TNO, o planeta anão Plutão.

p Panorama

p Em escalas muito maiores, além do nosso sistema solar e os confins galácticos da Via Láctea, O Herschel detectou água em muitas outras galáxias. Como já destacado por alguns de seus antecessores, as descobertas corroboram o papel crucial dessa importante molécula nos processos que levam ao nascimento de estrelas em todo o cosmos.

p Dada sua composição química, a água, sem surpresa, é onipresente no Universo, e, depois de Herschel, não há mais dúvidas de que as trilhas cósmicas de água têm um longo caminho, de planetas a estrelas, e até mesmo para a vastidão do espaço interestelar.

p Contudo, Herschel apenas começou a arranhar a superfície do iceberg proverbial, tendo água manchada em fontes cósmicas individuais que são, em muitos casos, um de cada tipo. Essas descobertas emocionantes exigem pesquisas futuras para acompanhar as observações de Herschel, coletar amostras maiores de cada tipo de fonte para examinar a água e outras moléculas e investigar os mecanismos físicos subjacentes à sua formação e distribuição através do cosmos.