Forskere vurderer soltågernes levetid

For omkring 4,6 milliarder år siden, en enorm sky af brintgas og støv kollapsede under sin egen vægt, til sidst flades ud til en skive kaldet soltågen. Det meste af dette interstellare materiale trak sig sammen i skivens centrum for at danne solen, og en del af soltågens resterende gas og støv kondenserede for at danne planeterne og resten af ​​vores solsystem.

Nu har forskere fra MIT og deres kolleger estimeret levetiden for soltågen - et nøglestadium, hvor meget af solsystemets evolution tog form.

Dette nye skøn tyder på, at gasgiganterne Jupiter og Saturn må være dannet inden for de første 4 millioner år efter solsystemets dannelse. Desuden, de skal have afsluttet gasdrevet migration af deres orbitale positioner på dette tidspunkt.

"Så meget sker lige i begyndelsen af ​​solsystemets historie, " siger Benjamin Weiss, professor i jord, atmosfærisk, og planetariske videnskaber ved MIT. "Selvfølgelig udvikler planeterne sig efter det, men den store struktur af solsystemet blev i det væsentlige etableret i de første 4 millioner år."

Weiss og MIT postdoc Huapei Wang, den første forfatter til denne undersøgelse, rapportere deres resultater i dag i journalen Videnskab . Deres medforfattere er Brynna Downey, Clement Suavet, og Roger Fu fra MIT; Xue-Ning Bai fra Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics; Jun Wang og Jiajun Wang fra Brookhaven National Laboratory; og Maria Zucolotto fra Nationalmuseet i Rio de Janeiro.

Spektakulære optagere

Ved at studere de magnetiske orienteringer i uberørte prøver af gamle meteoritter, der blev dannet for 4,653 milliarder år siden, holdet fastslog, at soltågen varede omkring 3 til 4 millioner år. Dette er et mere præcist tal end tidligere skøn, som placerede soltågens levetid på et sted mellem 1 og 10 millioner år.

Holdet kom til sin konklusion efter omhyggeligt at have analyseret vrede, som er nogle af de ældste og mest uberørte planetariske klipper. Angrites er magmatiske bjergarter, hvoraf mange menes at være brudt ud på overfladen af ​​asteroider meget tidligt i solsystemets historie og derefter hurtigt afkølet, fryser deres oprindelige egenskaber - inklusive deres sammensætning og palæomagnetiske signaler - på plads.

Forskere betragter vrede som usædvanlige optegnere af det tidlige solsystem, især da klipperne også indeholder store mængder uran, som de kan bruge til præcist at bestemme deres alder.

"Angrites er virkelig spektakulære, " siger Weiss. "Mange af dem ligner det, der kan gå i udbrud på Hawaii, men de afkølede på en meget tidlig planetesimal."

Weiss og hans kolleger analyserede fire angrites, der faldt til Jorden på forskellige steder og tidspunkter.

"Et faldt i Argentina, og blev opdaget, da en landarbejder dyrkede sin mark, " siger Weiss. "Det lignede en indisk artefakt eller skål, og godsejeren holdt det ved dette hus i omkring 20 år, indtil han endelig besluttede at få det analyseret, og det viste sig at være en virkelig sjælden meteorit."

De tre andre meteoritter blev opdaget i Brasilien, Antarktis, og Sahara-ørkenen. Alle fire meteoritter var bemærkelsesværdigt velbevarede, ikke har undergået yderligere opvarmning eller større sammensætningsændringer siden de oprindeligt blev dannet.

Måler små kompasser

Holdet indhentede prøver fra alle fire meteoritter. Ved at måle forholdet mellem uran og bly i hver prøve, tidligere undersøgelser havde fastslået, at de tre ældste blev dannet for omkring 4,653 milliarder år siden. Forskerne målte derefter klippernes restmagnetisering ved hjælp af et præcisionsmagnetometer i MIT Paleomagnetism Laboratory.

"Elektroner er små kompasnåle, og hvis du placerer en flok af dem i en sten, klippen bliver magnetiseret, " Weiss forklarer. "Når de er justeret, som kan ske, når en sten afkøles i nærvær af et magnetfelt, så bliver de sådan. Det er det, vi bruger som registreringer af gamle magnetfelter."

Da de placerede angriterne i magnetometeret, forskerne observerede meget lidt restmagnetisering, hvilket indikerer, at der var meget lidt magnetfelt til stede, da angrites dannedes.

Holdet gik et skridt videre og forsøgte at rekonstruere det magnetiske felt, der ville have produceret klippernes justeringer, eller mangel på samme. For at gøre det, de varmede prøverne op, kølede dem derefter ned igen i et laboratoriestyret magnetfelt.

"Vi kan blive ved med at sænke laboratoriefeltet og kan reproducere, hvad der er i prøven, " siger Weiss. "Vi finder kun meget svage laboratoriefelter tilladt, givet hvor lidt restmagnetisering der er i disse tre angrites."

Specifikt, holdet fandt ud af, at angriternes restmagnetisering kunne være blevet frembragt af et ekstremt svagt magnetfelt på ikke mere end 0,6 mikroteslas, 4,653 milliarder år siden, eller, omkring 4 millioner år efter solsystemets start.

I 2014 Weiss' gruppe analyserede andre gamle meteoritter, der blev dannet inden for solsystemets første 2 til 3 millioner år, og fandt tegn på et magnetfelt, der var omkring 10-100 gange stærkere - omkring 5-50 mikrotesla.

"Det er forudsagt, at når magnetfeltet falder med en faktor på 10-100 i det indre solsystem, som vi nu har vist, soltågen forsvinder virkelig hurtigt, inden for 100, 000 år, " siger Weiss. "Så selvom soltågen ikke var forsvundet inden for 4 millioner år, det var dybest set på vej ud."

Planeterne er på linje

Forskernes nye skøn er meget mere præcist end tidligere skøn, som var baseret på observationer af fjerne stjerner.

"Hvad mere er, angriternes palæomagnetisme begrænser levetiden for vores egen soltåge, mens astronomiske observationer tydeligvis måler andre fjerne solsystemer, " tilføjer Wang. "Da soltågens levetid kritisk påvirker Jupiters og Saturns endelige positioner, det påvirker også den senere dannelse af Jorden, vores hjem, såvel som dannelsen af ​​andre jordiske planeter."

Nu hvor forskerne har en bedre idé om, hvor længe soltågen varede, de kan også indsnævre, hvordan gigantiske planeter som Jupiter og Saturn blev dannet. Kæmpeplaneter er for det meste lavet af gas og is, og der er to fremherskende hypoteser for, hvordan alt dette materiale kom sammen som en planet. En antyder, at gigantiske planeter er dannet fra gravitationssammenbrud af kondenserende gas, ligesom solen gjorde. Den anden antyder, at de opstod i en to-trins proces kaldet core accretion, hvor stumper af materiale smadrede og smeltede sammen for at danne større sten, iskolde kroppe. Når disse kroppe var massive nok, de kunne have skabt en tyngdekraft, der tiltrak enorme mængder gas for i sidste ende at danne en kæmpe planet.

Ifølge tidligere forudsigelser, gigantiske planeter, der dannes gennem gravitationssammenbrud af gas, bør fuldføre deres generelle dannelse inden for 100, 000 år. Kernetilvækst, i modsætning, menes typisk at tage meget længere tid, i størrelsesordenen 1 til flere millioner år. Weiss siger, at hvis soltågen var omkring i de første 4 millioner år af solsystemets dannelse, dette ville give støtte til kernetilvækstscenariet, som generelt er favoriseret blandt videnskabsmænd.

"Gasgiganterne må være dannet 4 millioner år efter dannelsen af ​​solsystemet, " siger Weiss. "Planeter bevægede sig overalt, ind og ud over store afstande, og al denne bevægelse menes at være drevet af tyngdekraften fra gassen. Vi siger, at alt dette skete i de første 4 millioner år."