Når babyplaneter smelter:Søger efter planetesimals historie

Lad os starte fra begyndelsen. Før mennesker, før Jorden, før nogen af ​​planeterne eksisterede, der var babyplaneter - planetesimaler. Sammensmeltet fra støv eksploderet udad af soltågen, disse klatter af materiale var blot et par kilometer i diameter. Snart, de samlede sig for på grund af tyngdekraften til at danne klippeplaneterne i den inderste del af solsystemet, overlader de tidlige detaljer om disse planetesimaler til fantasien.

Deres mystiske identitet kompliceres af det faktum, at Merkur, Venus, Jorden, og Mars er alle forskellige i kemisk sammensætning. Som en blender, der blander ingredienserne i en kage, Jorden har gennemgået en omlægning, hovedsagelig på grund af vulkanisme og pladetektonik, der flytter elementer ind og ud af det indre, som yderligere skjuler information om, hvad de originale ingredienser kunne have været, og deres proportioner.

Nu, et par MIT-forskere i Department of Earth, Atmosfæriske og planetariske videnskaber (EAPS) har afsløret nogle vigtige oplysninger om disse planetesimaler ved i et laboratorium at genskabe den første magma, som disse objekter kunne have produceret i solsystemets spæde barndom. Og det viser sig, der er fysiske beviser for disse magmaer i meteoritter, tilføjer validering til deres påstande.

"Denne dannelse og differentiering af disse planetesimaler er på en måde et vigtigt skridt i, hvordan du laver de indre jordiske planeter, og vi er virkelig lige begyndt at låse op for den historie, " siger RR Schrock professor i geologi Timothy Grove, seniorforfatter på undersøgelsen, udgivet i en trilogi af artikler i tidsskrifterne Geochimica og Cosmochimica Acta og Meteoritik og planetarisk videnskab .

Meteorit teasers

Små stykker bevis for solsystemets planetariske byggesten findes den dag i dag i meteoritter, som alle passer ind i to hovedkategorier. Kondritter er lavet af originalt materiale og er den mest almindelige type. Akkondritter kommer fra forældrelegemer, der har oplevet en form for modifikation - og forståelsen af ​​disse modifikationer hjælper med at forklare de processer, der danner og vokser planeter.

Ureiliter, den næsthyppigste gruppe af achondritter, var det oprindelige emne for denne undersøgelse. Men hurtigt, forskerne indså, at deres resultater også kunne anvendes andre steder.

Takket være en række eksperimenter designet til at rette fejl i tidligere teknikker, Grove og hovedforfatter Max Collinet Ph.D. '19 afslørede en ny vinkel. "Vi kom virkelig fra at ville forstå noget om en lille gruppe af meteoritter, der kan virke dunkelt for mange mennesker, " siger Collinet om sin doktorgradsforskning. "Men da vi så lavede de eksperimenter, vi indså, at de smeltninger, vi producerede, har mange konsekvenser for en masse andre planetariske byggesten."

Dette inkluderer oprindelsen af ​​den mest udbredte type akondritiske meteoritter, kaldet eukriter, formodes at komme fra Vesta, det næststørste legeme i asteroidebæltet. Dette var fordi, i 1970, en MIT-forsker opdagede, at Vesta var lavet af den samme type basaltisk sten. "Vi havde alle disse basaltiske lavaer fra overfladen af ​​Vesta, og dybest set antog alle, at det er det, der sker, når man smelter disse kroppe, " forklarer Grove. Men for nylig, andre undersøgelser har omstødt denne hypotese, efterlader spørgsmålet:Hvad var de tidligste smeltninger dannet i planetesimaler?

At lave små planeter

"Det, vi indså, er, at vi slet ikke vidste, hvad sammensætningen var af de første magmaer, der blev produceret i nogen planetesimal, endsige den, som vi var interesserede i - ureilites' forældreorgan, " siger Collinet om resultaterne fra deres nye eksperimentelle metoder.

I tidligere undersøgelser, ved at bruge en typisk eksperimentel "åbent system"-opsætning, der opretholdt de lave iltniveauer, der forventes inde i en planetesimal, meget af de meget reaktive alkaliske grundstoffer - natrium og kalium - kunne undslippe.

Grove og Collinet måtte arbejde sammen for at udføre eksperimenterne ved hjælp af en unik enhed på MIT, der holdt systemet "lukket" og beholdt alle alkalier. De fyldte en lille metalkapsel på et par millimeters kvadrat med de samme kemiske grundstoffer, som kunne være til stede i en planetesimal, og udsatte den for forhold med lavt iltindhold, stensmeltetemperaturer, og forventede tryk i de relativt små kroppes indre. Når disse betingelser var opfyldt, prøvens magma blev frosset - som registreret i deres metoder - ved at "slå" maskinen med en skruenøgle for at sikre, at deres kapsel sprang fri, falder hurtigt til stuetemperatur.

Analyse af magma, afkølet i et glas, var tricky. Fordi de ledte efter begyndelsen af ​​smeltning, puljerne inde i prøverne var ret små. Det tog et par justeringer af deres procedurer for at få alle de små pools til at kombineres i en større lomme. Når de var i stand til at måle prøverne, parret var chokerede over implikationerne af det, de fandt.

"Vi anede ikke, at vi skulle producere det her. Det var fuldstændig uventet, " Grove vidundere. "Denne ting" var en alkalirig granit - en lysfarvet, silica-rig sammensætning, som du måske kan se på en køkkenbordplade, i den modsatte ende af bjergartspektret fra de alkalifattige, silicafattige basalter på Vesta - som dem, der er dannet af lava på Hawaii.

"Collinet og Grove viser, at tidligere ideer om sammensætningen af ​​de tidligste smelter i vores solsystem, ~4,6 milliarder år siden, kan have været forkert, fordi registreringen af ​​tidlige processer er blevet sløret af geologisk aktivitet i nyere tid, " siger Cyrena Goodrich, en seniorforsker ved Lunar and Planetary Institute i Universities Space Research Association, som ikke var involveret i undersøgelsen. "Disse resultater vil have applikationer til en bred vifte af emner inden for geologi og planetariske videnskaber og vil i væsentlig grad påvirke fremtidigt arbejde."

Disse overraskende resultater matchede næsten næsten smeltninger målt i mange naturlige meteoritprøver. Derudover parret havde lært noget om de mystiske alkalier, der manglede fra klippeplaneterne og forskellene mellem Jorden, Mars, Venus og Merkur.

Genopfatter begyndelsen

Tidligere, det blev antaget, at uligheder mellem de terrestriske planeter opstod under den indledende spredning af elementer i soltågen og var relateret til, hvordan disse elementer kondenserede fra gasser til faste stoffer.

"Nu har vi en anden måde, " siger Grove. Med smelterne huser mange af alkalierne, det ville kun tage en metode til fjernelse af smelte for at efterlade de resterende planetesimaler udtømt i kalium og natrium.

Det næste skridt vil være at bestemme, hvordan disse smelter kan udvindes fra planetesimals indre, givet, at driverne til magmabevægelsen i Jorden sandsynligvis ikke ville være de samme i disse planetariske legemer. Faktisk, migration af elementer i tidlige planeter, såsom dannelsen af ​​metalkerner, er et bredt område af ukendt, som parret af videnskabsmænd er ivrige efter at fortsætte med at udforske.

På grund af manglende evne til at observere, hvad der faktisk skete i etableringen af ​​solsystemet, overraskelserne afsløret af denne undersøgelse er et væsentligt skridt. "Vi bringer nye spor i, hvordan tågen skabte disse kroppe, " opsummerer Collinet, som nu er postdoc i Tyskland, arbejder på at forstå lagene under Mars' ydre skorpe. Fra en lille kapsel i et laboratorium på MIT campus eller en mikroskopisk dråbe smelte i en meteorit, det er muligt at afsløre indsigt i fødslen af ​​en enorm planet.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.