En oprindelseshistorie for en familie af ulige meteoritter

De fleste meteoritter, der er landet på Jorden, er fragmenter af planetesimaler, de allertidligste protoplanetariske legemer i solsystemet. Forskere har troet, at disse urlegemer enten smeltede fuldstændigt tidligt i deres historie eller forblev som bunker af usmeltet murbrokker.

Men en familie af meteoritter har forvirret forskere siden dens opdagelse i 1960'erne. De forskellige fragmenter, fundet over hele verden, synes at være brudt af det samme urlegeme, og alligevel indikerer sammensætningen af ​​disse meteoritter, at deres forælder må have været en forvirrende kimær, der var både smeltet og usmeltet.

Nu har forskere ved MIT og andre steder fastslået, at moderlegemet til disse sjældne meteoritter faktisk var et flerlags, differentieret genstand, der sandsynligvis havde en flydende metallisk kerne. Denne kerne var betydelig nok til at generere et magnetfelt, der kan have været lige så stærkt som Jordens magnetfelt er i dag.

Deres resultater, offentliggjort i tidsskriftet Videnskabens fremskridt , tyder på, at mangfoldigheden af ​​de tidligste objekter i solsystemet kan have været mere kompleks, end forskerne havde antaget.

"Dette er et eksempel på en planetesimal, der må have haft smeltede og usmeltede lag. Det tilskynder til søgninger efter flere beviser for sammensatte planetariske strukturer, " siger hovedforfatter Clara Maurel, en kandidatstuderende i MIT's Department of Earth, Atmosfærisk, og Planetariske Videnskaber (EAPS). "Forståelse af hele spektret af strukturer, fra ikke-smeltet til fuldt smeltet, er nøglen til at tyde, hvordan planetesimaler blev dannet i det tidlige solsystem."

Maurels medforfattere inkluderer EAPS professor Benjamin Weiss, sammen med samarbejdspartnere ved Oxford University, Cambridge University, University of Chicago, Lawrence Berkeley National Laboratory, og Southwest Research Institute.

Oddball jern

Solsystemet blev dannet for omkring 4,5 milliarder år siden som en hvirvel af supervarm gas og støv. Da denne disk gradvist afkøledes, stumper af stof kolliderede og smeltede sammen for at danne gradvist større kroppe, såsom planetesimals.

Størstedelen af ​​meteoritter, der er faldet til Jorden, har sammensætninger, der tyder på, at de kom fra sådanne tidlige planetesimaler, der var en af ​​to typer:smeltet, og usmeltet. Begge typer genstande, videnskabsmænd mener, ville være dannet relativt hurtigt, på mindre end et par millioner år, tidligt i solsystemets udvikling.

Hvis en planetesimal blev dannet i de første 1,5 millioner år af solsystemet, kortlivede radiogene elementer kunne have smeltet kroppen helt på grund af den varme, der frigives ved deres henfald. Usmeltede planetesimaler kunne have dannet sig senere, når deres materiale havde lavere mængder af radiogene grundstoffer, utilstrækkelig til at smelte.

Der har været få beviser i meteoritregistreringen af ​​mellemliggende objekter med både smeltede og usmeltede sammensætninger, bortset fra en sjælden familie af meteoritter kaldet IIE jern.

"Disse IIE-jern er ulige meteoritter, " siger Weiss. "De viser begge tegn på at være fra primordiale objekter, der aldrig smeltede, og også beviser for at komme fra en krop, der er fuldstændig eller i det mindste væsentligt smeltet. Vi ved ikke hvor vi skal placere dem, og det var det, der fik os til at holde fokus på dem."

Magnetiske lommer

Forskere har tidligere fundet ud af, at både smeltede og usmeltede IIE-meteoritter stammer fra den samme gamle planetesimal, som sandsynligvis havde en fast skorpe over en flydende kappe, ligesom Jorden. Maurel og hendes kolleger spekulerede på, om planetesimalen også kan have indeholdt en metallisk, smeltet kerne.

"Smeltede dette objekt nok til, at materialet sank til midten og dannede en metallisk kerne som Jordens?" siger Maurel. "Det var den manglende brik i historien om disse meteoritter."

Holdet begrundede, at hvis planetesimalen var vært for en metallisk kerne, det kunne meget vel have genereret et magnetfelt, svarende til den måde, hvorpå Jordens bølgende flydende kerne producerer et magnetfelt. Sådan et gammelt felt kunne have fået mineraler i planetesimalen til at pege i retning af feltet, som en nål i et kompas. Visse mineraler kunne have holdt denne tilpasning over milliarder af år.

Maurel og hendes kolleger spekulerede på, om de kunne finde sådanne mineraler i prøver af IIE-meteoritter, der var styrtet ned til Jorden. De fik to meteoritter, som de analyserede for en type jern-nikkel-mineral kendt for sine exceptionelle magnetisme-registrerende egenskaber.

Holdet analyserede prøverne ved hjælp af Lawrence Berkeley National Laboratory's Advanced Light Source, som producerer røntgenstråler, der interagerer med mineralkorn på nanometerskalaen, på en måde, der kan afsløre mineralernes magnetiske retning.

Helt sikkert, elektronerne i et antal korn var justeret i en lignende retning - bevis på, at moderlegemet genererede et magnetfelt, muligvis op til flere snesevis af mikroteslaer, som handler om styrken af ​​Jordens magnetfelt. Efter at have udelukket mindre plausible kilder, holdet konkluderede, at det magnetiske felt højst sandsynligt blev produceret af en flydende metallisk kerne. For at generere et sådant felt, de vurderer, at kernen må have været mindst flere ti kilometer bred.

Sådanne komplekse planetesimaler med blandet sammensætning (begge smeltede, i form af en flydende kerne og kappe, og usmeltet i form af en fast skorpe), Maurel siger, ville sandsynligvis have taget over flere millioner år at danne - en dannelsesperiode, der er længere, end hvad forskerne havde antaget indtil for nylig.

Men hvor i moderkroppen kom meteoritterne fra? Hvis det magnetiske felt blev genereret af moderkroppens kerne, dette ville betyde, at de fragmenter, der i sidste ende faldt til Jorden, ikke kunne være kommet fra selve kernen. Det skyldes, at en flydende kerne kun genererer et magnetisk felt, mens den stadig er varm. Ethvert mineral, der ville have registreret det gamle felt, må have gjort det uden for kernen, før selve kernen er helt afkølet.

Arbejde med samarbejdspartnere ved University of Chicago, holdet kørte højhastighedssimuleringer af forskellige formationsscenarier for disse meteoritter. De viste, at det var muligt for et legeme med en flydende kerne at kollidere med en anden genstand, og for at den påvirkning løsner materiale fra kernen. Dette materiale ville så migrere til lommer tæt på overfladen, hvor meteoritterne stammer fra.

"Når kroppen afkøles, meteoritterne i disse lommer vil præge dette magnetiske felt i deres mineraler. På et tidspunkt, magnetfeltet vil henfalde, men aftrykket forbliver, " siger Maurel. "Senere, denne krop kommer til at gennemgå en masse andre kollisioner indtil de ultimative kollisioner, der vil placere disse meteoritter på Jordens bane."

Var en så kompleks planetesimal en afviger i det tidlige solsystem, eller en af ​​mange sådanne differentierede objekter? Svaret, Weiss siger, kan ligge i asteroidebæltet, en region befolket med oprindelige rester.

"De fleste kroppe i asteroidebæltet ser usmeltede ud på deres overflade, " siger Weiss. "Hvis vi til sidst er i stand til at se inde i asteroider, vi kan prøve denne idé. Måske er nogle asteroider smeltet indeni, og kroppe som denne planetesimal er faktisk almindelige."