Var kommer vattnet ifrån?

Först skapades vatten. Det var bland det första som hände när solsystemet skulle till att uppstå i ett gasmoln någonstans i den väldiga Vintergatan.

I gasmolnet fanns små dammkorn, stoft som hade svävat där sedan hundratals miljoner år. Det bestod av kisel- och kolföreningar men innehöll från början ingen is. I djupet av det täta molnet rådde totalt mörker, för att vart man än såg, var det så mycket stoft i vägen att allt stjärnljus skymdes.

I detta mörker började molekyler i stora mängder alstras ur gasen, som från början mest hade bestått av enstaka atomer. Eftersom syre- och väteatomerna var mycket vanliga, bildades det mycket vatten. Men även andra molekyler deltog i fabrikationen av alltmer komplexa ämnen. Till det totala mörkret kom nu även extrem kyla, därför att molekylerna effektivt strålade ut den värme som fanns. Temperaturen kröp nu ner mot den absoluta nollpunkten vid -273 grader Celsius.

Sten och metaller blev kvar

De flesta gasmolekylerna frös till is när de fastnade på stoftkornen. Detta gällde i särskilt hög grad vattnet. Alltså uppstod en sorts korn med en kärna av silikater och organiska ämnen och en nybildad mantel av is. Detta var den första fasta materien i det solsystem som skulle uppstå när det stora gasmolnet så småningom kollapsade under sin egen gravitation.

Kollapsen ledde till att tätheten och temperaturen ökade, och snart bildades solen i mitten av en hastigt roterande skiva av gas och stoft. Skivan var ett resultat av den måttliga rotation som det ursprungliga molnet hade haft, men allting roterar ju fortare när det krymper. Det är samma princip som får fart på skridskoprinsessans piruett när hon drar in armarna.

Den roterande gasskivan utgjorde en lämplig miljö för att bilda vårt planetsystem, och vi brukar kalla den solnebulosan.

Friktionen i den turbulenta gasen hettade upp solnebulosans innersta delar, och temperaturen i de regioner där Venus, jorden och Mars banor skulle ligga var mycket hög. De ursprungliga, isiga kornen blev av med sitt vatten och sina kolföreningar så att bara silikater och metaller återstod. Man tror att det är därför som de flesta meteoriter som kommer från asteroidbältet mellan Mars och Jupiters banor har den sammansättning som vi har iakttagit.

Litet längre ut i gasskivan var det svalare, och vattenångan kunde reagera med stenmaterialet. Även en del av de organiska ämnena överlevde där ute, så att de kolrika kondriterna kunde bildas. Ännu längre ut var miljön så lugn och kall att just ingenting hände med de isiga kornen, och av dessa bildades kometerna. Det är därför som den europeiska rymdsonden Rosetta är på väg till en komet. Man vill helt enkelt komma åt solsystemets allra ursprungligaste materia.

Resten av historien handlar om hur och när planeterna bildades. Det skedde genom att – åtminstone för jordens och våra grannars del – mindre kroppar krockade i sina banor kring solen och gradvis slog sig samman till större enheter. I detta kunde bara materia i fast tillstånd delta. Samtidigt var temperaturen för hög för att vattenångan skulle kondensera, och än mindre frysa till is, så vattnet var utestängt från planetbygget. Därför består jorden och de innersta planeterna mest av sten och metaller.

Bygget tog hundratals miljoner år

Det är inte fullt lika klart hur det gick till när jätteplaneterna längre bort från solen bildades, men Jupiter måste ha vuxit fram på några miljoner år. Och denna tillväxt måste ha fått betydande konsekvenser även för planetbyggena närmare solen.

Jätteplanetens gravitation var så stark att nästan alla himlakroppar i dess närhet antingen inneslöts i dess inre eller kastades i väg i banor som förde dem ut mot solsystemets utmarker eller in mot solen. Därför tar asteroidbältet slut och rymden är tömd på himlakroppar långt innanför Jupiters bana, trots att det rimligtvis måste ha bildats minst lika många asteroider bortom bältets ytterkant.

Vilken roll Jupiter spelade för själva asteroidbältets ursprung är inte helt utrett. Men det kan hända att jätteplanetens gravitation störde de unga asteroidernas banor, så att de inte kunde fortsätta att utvecklas mot en fullskalig planet utan i stället började krocka och slå sönder varandra.

Bygget av jorden och dess grannplaneter hindrades däremot inte på samma sätt. Men ännu återstod hundratals miljoner år innan planeterna blev klara. Visserligen bestod planetembryona från början av torrt material utan vatten, men de kan ha fått en del vatten när materialet från området strax bortom asteroidbältet slängdes i väg vid Jupiters uppkomst. Att döma av meteoriternas sammansättning kan dessa projektiler ha varit ganska vattenhaltiga.

Så långt är allt väl, och i den enklaste av världar skulle vi nu ha funnit förklaringen till mängderna av vatten på jorden liksom på Venus och Mars. Men solsystemets verklighet är mer komplicerad. Jorden har en måne som är nästan jämförbar med jorden själv i storlek. Och om månens ursprung, som länge har varit ett tvisteämne, är forskarna nu i stort sett överens.

Borde vara torr

När jorden var nästan färdigbildad – hundratals miljoner år efter solnebulosans epok – slog en jättelik planetbyggsten av Mars storlek ner på jorden. Kraften var så våldsam att stora delar av jordklotet slets sönder. Månen bildades av de utkastade resterna efter detta katastrofala nedslag.

Den väldiga energin i kollisionen fick stora delar av jordens mantel att förgasas. Smällen måste därigenom även ha förångat det mesta av det vatten som jordens byggstenar hade samlat på sig. Alltså borde bara en liten del av jordens vatten ha stannat kvar.

Men då borde jorden ha blivit mycket torrare än Venus och Mars i början av sin historia. De har ju inte varit med om någon liknande katastrof. Likväl tycks vattenhalterna jämförbara. Alltså fortsatte vatten att på något sätt levereras till alla planeterna även långt efter det att månen hade bildats.

Tio världshav flödade in

Vi vet redan vilken process detta var. Den har att göra med himlakropparna ute i solsystemets utkanter, bortom Neptunus bana.

Medan Jupiter bildades mycket snabbt, tog det betydligt längre tid för de mer avlägsna Uranus och Neptunus. Och när de kom till, uppstod det samtidigt ett brett och tätt befolkat bälte med himlakroppar längre ut. Det sträckte sig hundratals gånger längre ut än Neptunus avstånd från solen och var som störst efter cirka hundra miljoner år. Efter ytterligare tusen miljoner år, alltså en årmiljard, hade beståndet där ute avklingat avsevärt, och de rester som i dag återstår är bara en blek skugga.

Under den första halva eller hela miljarden år av solsystemets historia måste massor av isiga himlakroppar – precis likadana som de kometer vi ännu observerar, fast ibland mycket större – ha trängt in i solsystemets innersta del och bombarderat Venus, jorden och Mars. De förde då med sig stora mängder vatten. Tyvärr är det svårt att veta exakt hur mycket, men vissa teoretiska uppskattningar av inflödet till jorden ger så mycket som tio gånger den mängd vatten vi har i haven.

Vi förstår alltså numera ganska väl varför solsystemets ursprungliga små korn inte bestod mest av is, trots att universum innehåller så mycket mera väte och syre än kisel och järn. Den miljö där kornen skapades var helt enkelt för uttunnad och kall. I kemisk jämvikt, där alla ämnen har tid att reagera med alla andra, skulle vattnet vara mycket vanligare.

Men syret i Vintergatans gas- och stoftmoln var till stor del uppbundet tillsammans med kol och kväve i stoftkornen. En annan del av syret var förenad med kol i gasformig koloxid. Kometerna är gjorda av just sådant ojämviktsmaterial som bara till hälften består av vatten. I de täta gaser som omgav de unga jätteplaneterna, som Jupiter och Saturnus, kan däremot tillståndet ha närmat sig kemisk jämvikt, och det tros vara därför som vi hittar så mycket is på Saturnus månar.

Vattnet i jordens inre

Men frågan om huruvida jordens vatten huvudsakligen kom tidigt med de asteroider som Jupiter skjutsade in mot jorden eller om vattnet kom långt senare med kometer från solsystemets allra mest avlägsna utkanter är mycket svårare. Vi förstår numera att det finns vatten av bägge sorterna i jordklotet. Men vi vill gärna veta om proportionerna är ungefär lika eller om den ena sorten överväger.

En antydan om asteroidvattnets betydelse kommer från forskningen om jordens inre. Den kunskap som geofysiker och geokemister har samlat in om förhållandena nära gränsen mellan jordens kärna och mantel ger vid handen att det måste finnas en hel del vatten där. Det är av samma typ som vattnet i kolrika kondriter, alltså inte fritt vatten utan bundet i stenmineralerna. Att jorden tycks ha en betydande mängd vatten så djupt begravd i sitt inre tyder på att detta vatten fanns redan när jorden byggdes upp. Alltså bör det ha kommit från rymden strax bortom asteroidbältet.

Tungt väte har svaret

En annan antydan om vattnets ursprung på jorden får man av halten av tungt väte, deuterium, i havsvattnet. Man kan jämföra denna halt med den man finner dels i meteoriter, alltså kolrika kondriter, dels i kometer. Här finns några preliminära men intressanta resultat.

Halterna av deuterium i olika meteoriter sprider sig över ett brett intervall, som i sig innefattar värdet för havsvatten. Hittills har man bara lyckats mäta kometers deuteriumhalt i tre objekt – de välbekanta ljusa kometerna som passerade jorden under de senaste två decennierna – Halley, Hyakutake och Hale-Bopp. De tre deuteriumvärdena stämmer väl överens inbördes, men ligger ungefär tre gånger högre i kometerna än i havsvatten.

Kanske består jordens hav till stor del av smälta kometer. Men för att verkligen besvara frågan måste vi mäta tungt vatten i fler kometer. Först då kan vi avgöra om de tre ljusa kometerna är typiska för de kometer som bombarderade den unga jorden. Vi måste även bättre förstå de processer som ger transneptunska objekt banor som korsar jordbanan och hur våra tre kometer passar in i den bilden. Att säga att kometer bidrog med en tredjedel av havens vatten må vara lockande, men det vore förhastat.