Naukowcy śledzą podróż ziarna pyłu przez nowo narodzony Układ Słoneczny

Łącząc analizę próbek w skali atomowej i modele symulujące prawdopodobne warunki panujące w rodzącym się Układzie Słonecznym, nowe badania ujawniają wskazówki dotyczące pochodzenia kryształów, które uformowały się ponad 4,5 mld lat temu.

Zespół badawczy odtworzył w niespotykanych dotąd szczegółach historię ziarna pyłu, które uformowało się podczas narodzin Układu Słonecznego ponad 4,5 mld lat temu. Odkrycia te dają wgląd w fundamentalne procesy leżące u podstaw formowania się układów planetarnych, z których wiele wciąż jest owianych tajemnicą.

Na potrzeby badania, zespół opracował nowy rodzaj modelu łączącego mechanikę kwantową i termodynamikę, aby symulować warunki, na jakie ziarno pyłu było narażone podczas formowania się, kiedy Układ Słoneczny był wirującym dyskiem gazu i pyłu, znanym jako dysk protoplanetarny lub mgławica słoneczna. Porównanie przewidywań modelu z niezwykle szczegółową analizą składu chemicznego i struktury krystalicznej próbki, wraz z modelem transportu materii w mgławicy słonecznej, pokazało wskazówki dotyczące podróży ziarna i warunków środowiskowych, które ukształtowały je po drodze.

Ziarno analizowane w badaniu jest jednym z kilku inkluzji, znanych jako inkluzje bogate w wapń i glin (CAl), odkrytych w próbce z meteorytu Allende, który spadł nad meksykańskim stanem Chihuahua w 1969 roku. CAl są przedmiotem szczególnego zainteresowania, ponieważ uważa się, że należą do pierwszych ciał stałych, które uformowały się w Układzie Słonecznym ponad 4,5 mld lat temu.

Podobnie, jak pieczątki w paszporcie opowiadają historię podróży i przystanków po drodze, struktury w skali mikro i atomowej próbek odkrywają zapis historii ich formowania się, która była kontrolowana przez zbiorowe środowiska, na które były wystawione.

O ile nam wiadomo, nasza praca jest pierwszą opowiadającą historię pochodzenia, oferująca wskazówki na temat prawdopodobnych procesów, które zaszły w skali odległości astronomicznych z tym, co widzimy w naszej próbce w skali odległości astronomicznych – powiedział Tom Zega, profesor w University of Arizona’s Lunar and Planetary Laboratory i pierwszy autor pracy, opublikowanej w The Planetary Science Journal.

Zega i jego zespół analizowali skład inkluzji osadzonych w meteorycie przy użyciu najnowocześniejszych transmisyjnych mikroskopów elektronowych o rozdzielczości atomowej – jednego w Kuiper Materials Imaging and Characterization Facility Uniwersytetu Arizona oraz siostrzanego mikroskopu znajdującego się w fabryce Hitachi w Hitachinaka w Japonii.

Okazało się, że inkluzje składają się głównie z rodzajów minerałów znanych jako spinel i perowskit, które również występują w skałach na Ziemi i są badane jako materiały kandydujące do zastosowań, takich jak mikroelektronika i fotowoltaika.

Podobne rodzaje ciał stałych występują w innych typach meteorytów, zwanych chondrytami węglistymi, które są szczególnie interesujące dla naukowców planetarnych, ponieważ wiadomo, że są pozostałością po formowaniu się Układu Słonecznego i zawierają cząsteczki organiczne, w tym takie, które mogły dostarczyć materiałów do powstania życia.

Precyzyjna analiza przestrzennego rozmieszczenia atomów pozwoliła zespołowi na bardzo szczegółowe zbadanie budowy struktur krystalicznych. Ku zaskoczeniu zespołu, niektóre z wyników były sprzeczne z obecnymi teoriami na temat procesów fizycznych zachodzących wewnątrz dysków protoplanetarnych, co skłoniło ich do dalszych poszukiwań.

Naszym wyzwaniem jest to, że nie wiemy, jakie ścieżki chemiczne doprowadziły do powstania tych inkluzji – powiedział Zega. Natura jest naszą zlewką laboratoryjną, a ten eksperyment miał miejsce miliardy lat przed naszym pojawieniem się, w zupełnie obcym środowisku.

Na podstawie danych, które autorzy pracy byli w stanie wydobyć ze swoich próbek, doszli do wniosku, że cząstka uformowała się w regionie dysku protoplanetarnego niedaleko miejsca, w którym obecnie znajduje się Ziemia, a następnie odbyła podróż bliżej Słońca, gdzie stawała się coraz gorętsza, by później zmienić kurs i rozpłynąć się w chłodniejszych częściach dalej od młodego Słońca. Ostatecznie, została włączona do planetoidy, która później rozpadła się na kawałki. Niektóre z tych kawałków zostały przechwycone przez ziemską grawitację i spadły jako meteoryty.

Próbki do tego badania zostały pobrane z wnętrza meteorytu i uważane są za prymitywne – innymi słowy, nienaruszone przez wpływ środowiska. Uważa się, że taki prymitywny materiał nie przeszedł żadnych znaczących zmian od czasu jego pierwszego uformowania się ponad 4,5 mld lat temu, co jest rzadkością. Czy podobne obiekty występują na asteroidzie Bennu, której próbki zostaną dostarczone na Ziemię przez misję OSIRIS-REx w 2023 roku, dopiero się okaże. Do tego czasu naukowcy polegają na próbkach, które spadają na Ziemię za pośrednictwem meteorytów.

Autorzy stwierdzili, że badania takie, jak to mogą przenieść naukowców planetarnych krok bliżej do „wielkiego modelu powstawania planet” – szczegółowego zrozumienia materii poruszającej się po dysku, z czego się składa i jak daje początek Słońcu i planetom.

Potężne radioteleskopy, takie jak Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) w Chile, pozwalają astronomom zobaczyć układy gwiezdne w trakcie ich ewolucji, powiedział Zega.

Być może w pewnym momencie będziemy mogli zajrzeć do ewoluujących dysków, a wtedy będziemy mogli naprawdę porównać nasze dane pomiędzy dyscyplinami i zacząć odpowiadać na niektóre z tych naprawdę ważnych pytań. Czy te cząsteczki pyłu tworzą się tam, gdzie myślimy, że powstały w naszym Układzie Słonecznym? Czy są one wspólne dla wszystkich układów gwiazdowych? Czy powinniśmy spodziewać się wzorca, który widzimy w naszym Układzie Słonecznym – skaliste planety blisko gwiazdy centralnej i gazowe olbrzymy dalej – we wszystkich układach? – dodaje Zega.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:
University Arizona

Vega

Na ilustracji: Wizja artystyczna wczesnego Układu Słonecznego, w czasie, gdy nie było jeszcze planet. Źródło: Heather Roper

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *