Under nästan fyra år av att observera kosmos, Herschel rymdobservatorium spårade förekomsten av vatten. Med sin oöverträffade känslighet och spektrala upplösning vid viktiga våglängder, Herschel avslöjade denna avgörande molekyl i stjärnbildande molekylära moln, upptäckte det för första gången i frön av framtida stjärnor och planeter, och identifierade leverans av vatten från interplanetära skräp till planeter i vårt solsystem.

Vatten är viktigt för livet som vi känner det på jorden. Den täcker över 70 procent av vår planets yta och finns i spårmängder i atmosfären. Även om det kan tyckas rikligt, speciellt om vi tittar på den blåfärgade sträckan av en sjö, hav eller hav, vatten är bara en mindre del av jordens totala massa.

Faktiskt, det är inte alls klart om vattnet som för närvarande finns på vår blå planet fanns där vid tiden för dess bildande, För 4,6 miljarder år sedan, eller så levererades den av senare nedslag av mindre himmelska föremål.

Enligt en av de ledande teorierna för att förklara hur solsystemet kom till, Jorden och de inre planeterna var extremt varma och torra under de första flera hundra miljoner åren efter deras bildande. I detta scenario, vatten levererades till dessa planeter först senare genom våldsamma effekter av små kroppar som meteoriter, asteroider, och/eller kometer – det återstående skräpet från den protoplanetära skivan som planeterna och deras månar tog form av.

Det finns olika sätt att undersöka ursprunget till denna avgörande molekyl på vår planet, antingen att följa ledtrådarna i vårt kosmiska grannskap – solsystemet – eller titta in i de stellar plantskolor där analoger till vår sol och planeter föds.

ESA:s Herschel Space Observatory, ett extraordinärt uppdrag som sjösattes 2009 och som observerade himlen vid långt infraröda och submillimeters våglängder i nästan fyra år, tog ett övergripande tillvägagångssätt, spåra vatten från stjärnor och planeter i formen över vår galax Vintergatan till planeter och mindre solsystemkroppar i vår egen hals av skogen.

Vatten i universum

Vatten upptäcktes först i stjärnbildande molekylära moln i slutet av 1960-talet. Just då, det var den sjätte interstellära molekylen som identifierades, jämfört med de nästan 200 som hittills är kända.

Ända sedan upptäckten, astronomer misstänkte att vatten skulle finnas i en mängd olika kosmiska miljöer. Trots allt, den består av de två mest förekommande reaktiva elementen som finns - väte, som går tillbaka till Big Bang, och syre, producerad i ugnar av stjärnor under universums historia.

Faktiskt, vatten har observerats i himmelsföremål lika olika som planeter, månar, stjärnor, stjärnbildande moln, och även bortom vår Vintergatan, i andra galaxers vaggor. Dock, på grund av vattenånga som finns i jordens atmosfär, att studera denna molekyl med astronomiska observationer är allt annat än trivialt.

Under decennierna, astronomer har använt ett brett spektrum av faciliteter för att studera vatten i kosmos, från markbaserade observatorier i det torra klimatet av bergstoppar och luftburna teleskop till experiment på stratosfäriska ballonger och rymdobservatorier och till och med på rymdfärjan. Långt från vår planets fuktiga miljö, ett rymdteleskop är naturligtvis det perfekta verktyget för att undersöka kosmiskt vatten.

Den första satelliten tillägnad detta ämne, ESA:s infraröda rymdobservatorium (ISO), lanserades 1995 och fungerade fram till 1998, kort följt av NASA:s Submillimeter Wave Astronomy Satellite (SWAS) och Spitzer Space Telescope, och av de svenskledda, internationella Odin-satelliten.

Kliver in i denna sedan länge etablerade tradition, Herschel drev jakten på kosmiskt vatten till nya höjder med en fenomenal hårdvara, Heterodyne Instrument for the Far Infrared (HIFI) – ett av de tre instrumenten ombord.

För att avslöja närvaron av en molekyl i en kosmisk källa, astronomer letar efter en uppsättning mycket distinkta fingeravtryck, eller linjer, i källans spektrum, som orsakas av rotation eller vibrationsövergångar i molekylens struktur.

Dessa linjer observeras inom en sträcka av det elektromagnetiska spektrumet, täcker infraröd till mikrovågslängder, beroende på typen av molekyl och dess temperatur. När det gäller vatten, några av de mest intressanta linjerna – de som motsvarar den lägsta energetiska konfigurationen av vattenånga, med andra ord dess mark eller "kalla" tillstånd – finns i det långt infraröda och submillimeterområdet, som är otillgängliga från marken.

Speciellt designad för jakten på vatten och andra molekyler, Herschels HIFI -instrument hade en spektral upplösning utan motstycke som kunde rikta in sig på cirka 40 olika vattenledningar, var och en kommer från en annan övergång av vattenmolekylen och är därför känslig för olika temperaturer.

Särskilt, till skillnad från sina föregångare, Herschel var känslig för två olika övergångar i vattnets grundtillstånd som motsvarar molekylens två "spin"-former, kallas ortho och para, där vätskärnornas snurr har olika orienteringar. Denna nyckelfunktion gjorde det möjligt för astronomer att bestämma temperaturen under vilka vattnet bildades genom att jämföra de relativa mängderna orto- och paravatten.

Två av observatoriets nyckelprogram – Vatten i stjärnbildande regioner med Herschel och vatten och relaterad kemi i solsystemet – ägnade flera hundra timmar åt sökandet efter kosmiskt vatten.

Utnyttja de utestående data som samlats in av HIFI, tillsammans med observationer utförda med Herschels två andra instrument, Photodetector Array Camera and Spectrometer (PACS) och Spectral and Photometric Imaging Receiver (SPIRE), astronomer har i hög grad kunnat utöka vår förståelse av vattnets roll i universum.

Vatten i förfäderna till stjärnor och planeter

Medan vattenånga i stjärnbildande områden hade varit känd ett bra tag, Herschel upptäckte det, för första gången, i en pre-stellär kärna – en kall klump av tätt material som senare kommer att förvandlas till en stjärna. Den förstjärniga kärnan, kallad Lynds 1544, ligger i Oxens molekylära moln, ett stort område av gas och damm som inkuberar frön till framtida stjärnor och planeter.

Med Herschel-data, astronomer kunde också uppskatta mängden vattenånga i Lynds 1544 – motsvarande över 2000 gånger vatteninnehållet i jordens hav. Vattenångan kommer från isiga dammkorn, antyder en reservoar med över tusen gånger mer vatten i form av is. Om några planeter ska dyka upp runt stjärnan som tar form från denna kärna, det är troligt att en del av vattnet som upptäckts av Herschel också kommer att hitta vägen till planeterna.

På väg mot att bli stjärnor, förstjärniga kärnor fortsätter att ta upp materia från sitt föräldramoln tills de skiljer sig från det, förvandlas till en protostjärna, ett oberoende föremål som kollapsar under sin egen gravitation. I vanliga fall, en roterande skiva av gas och damm - en protoplanetär skiva - tar form runt protostjärnor, tillhandahåller materialet för bildandet av framtida planeter. Till sist, när kärnreaktioner tänds i protostjärnans kärna, motverka kollapsen, en fullfjädrad stjärna föds.

Herschel har sett vatten i objekt som spänner över alla stadier av stjärnbildning, inklusive i ett stort antal lågmassa protostjärnor som finns i många närliggande stjärnbildande regioner.

För första gången, astronomer som använder Herschel har upptäckt kall vattenånga i en protoplanetarisk skiva. Medan tidigare studier hade avslöjat antingen varmvattenånga i den inre delen av liknande skivor, eller vattenis i deras utkanter, Herschels observationer riktade mot skivan runt den närliggande unga stjärnan TW Hydrae var de första som identifierade kallvattenånga, med temperaturer lägre än 100 K, i ett sådant föremål.

Den kalla ångan verkar vara belägen i ett tunt lager på mellanliggande djup i skivan, där avdunstning av gas och utfrysning av is hittar en balans. Data indikerar en liten mängd kall ånga, motsvarande cirka 0,5 procent av vattnet i jordens hav, men peka på en mycket större reservoar av vattenis – flera tusen jordhav – i skivan.

Detta var det första beviset på att stora mängder vattenis kan lagras i föregångaren till ett planetsystem som vårt eget, vilket bidrar med fler bevis för att ta itu med pusslet om vattnets ursprung på jorden och andra planeter.

Vatten i solsystemet

Förutom att bevisa att vatten är en viktig beståndsdel i stjärnor och planeter sedan deras tidiga bildning, Herschel följde också sitt spår ända till vårt lokala grannskap, solsystemet.

För att jämföra vatten som finns i olika himlakroppar, astronomer analyserar det relativa överflödet av molekyler med en något annorlunda sammansättning. Mest anmärkningsvärt, de tittar på D/H-förhållandet, jämföra "vanligt" vatten, består av två väte (H) och en syre (O) atomer, och halvtungt vatten, där en av väteatomerna visas som deuterium (D), en isotopisk form med en extra neutron.

Innan Herschel, denna mätning hade utförts på en handfull kometer, alla trodde de hade sitt ursprung i Oort -molnet i utkanten av vårt solsystem, och alla avslöjar de högre andelar deuterium till "normalt" väte än vad som finns i jordens hav. Dessa resultat tycktes tyda på att kometer - isiga rester av vår gamla protoplanetära skiva - inte kunde ha varit källan till vår planets vatten, medan en specifik klass av meteoriter, kallas Cl kolhaltiga kondriter, hade det "rätta" D/H-förhållandet och verkade därmed vara den främste boven.

Under 2011, Herschels observationer av vatten i kometen 103P/Hartley 2 återupptog denna fascinerande debatt. Denna mätning var den första i sitt slag som utfördes för en komet från Jupiterfamiljen – en klass av kometer med banor som styrs av Jupiters gravitation och med mycket kortare period i förhållande till deras motsvarigheter från Oort-molnet – och avslöjade, för första gången, vatten med en proportion deuterium till väte som liknar den som finns på vår planet.

Herschel bidrog med ytterligare två iakttagelser till debatten, hitta en komet från Jupiterfamiljen (45P/Honda-Mrkos- Pajdušáková) med jordliknande vatten, och en Oort-molnkomet (2009P1) med en annan blandning än vår planets vatten.

Handlingen tjocknade när ESA:s Rosetta-uppdrag nådde kometen 67P/Churyumov–Gerasimenko 2014 och tog prov på vatteninnehållet i dess atmosfär. Rosettas komet är också en Jupiter-familj, men, till skillnad från de två som Herschel observerade, den innehåller inte jordliknande vatten; tvärtom, det visade sig ha det högsta D/H-förhållandet som någonsin uppmätts för en komet.

Medan Rosetta avslöjade att inte alla kometer från Jupiterfamiljen innehåller vatten som liknar det i vår planets hav, Herschels tidigare upptäckter hade viktigt påpekat att kometer med rätt sammansättning existerar och att vissa verkligen kan ha bidragit till jordens vattenbudget. Faktiskt, nuvarande modeller indikerar att ett brett och mångsidigt utbud av mindre kroppar bidrog till den avgörande rollen att föra vatten till vår planet.

På andra håll i solsystemet, Herschel har gått så långt som att bekräfta att minst en komet har bidragit till att berika en annan planet – Jupiter – med vatten. Genom att undersöka fördelningen av vattenånga i stratosfären på jätteplaneten, astronomer hittade bevis för att nästan allt levererades av det berömda nedslaget av Comet Shoemaker-Levy 9 1994.

Efter vatten i hela solsystemet, Herschel har hittat denna molekyl på många fler ställen, från dvärgplaneten Ceres, den största kroppen i asteroidbältet, till en gigantisk torus av vattenånga som omger Saturnus, som verkar försörjas av planetens lilla måne Enceladus. Som avslöjats av NASA/ESA/ASI Cassini-uppdraget, Enceladus uppvisar vattenplymer från det underjordiska havet som lurar under dess isiga skorpa.

Längre bort från solen, Herschel avslöjade mycket reflekterande ytor på flera Trans-Neptunian Objects (TNOs), vilket indikerar att vattenis kan finnas även på dessa forntida, avlägsna objekt. Medan TNO går tillbaka till den tidiga bildandet av vårt solsystem, astronomer misstänker att deras ljusa isiga beläggning kan vara nyare - en spekulativ men inte omöjlig hypotes med tanke på tillgången på vatten på yttre planeter som Uranus och Neptunus, och på deras stora månar. En sådan ny beläggning kan också tyda på att ytan på dessa länge tänkta "döda" föremål faktiskt kan vara levande, vilket också framhålls av observationer på plats som utfördes 2015 av NASA:s New Horizon-sond av en annan TNO, dvärgplaneten Pluto.

Syn

Ut till mycket större skalor, bortom vårt solsystem och Vintergatans galaktiska gränser, Herschel har upptäckt vatten i många andra galaxer. Som redan framhållits av några av dess föregångare, fynden bekräftar den avgörande rollen för denna så viktiga molekyl i de processer som leder till födelsen av stjärnor i hela kosmos.

Med tanke på dess kemiska sammansättning, vatten är överraskande allestädes närvarande i universum, och, efter Herschel, det råder inte längre någon tvekan om att kosmiska vattenstigar räcker långt, från planeter till stjärnor, och till och med till det stora interstellära rymden.

Dock, Herschel har bara börjat skrapa på ytan av det ökända isberget, ha fläckigt vatten i individuella kosmiska källor som är, i många fall, unik. Dessa spännande upptäckter kräver att framtida undersökningar följer upp Herschels observationer, samla in större prover av varje typ av källor för att granska vatten och andra molekyler och fördjupa sig i de fysiska mekanismerna som ligger bakom deras bildning och leverans över kosmos.