Forskere sporer støvkorns rejse gennem det nyfødte solsystem

Et forskerhold ledet af University of Arizona har i hidtil uset detaljer rekonstrueret historien om et støvkorn, der blev dannet under fødslen af ​​solsystemet for mere end 4,5 milliarder år siden. Resultaterne giver indsigt i de grundlæggende processer, der ligger til grund for dannelsen af ​​planetsystemer, hvoraf mange stadig er indhyllet i mystik.

Til studiet, teamet udviklede en ny type ramme, som kombinerer kvantemekanik og termodynamik, at simulere de forhold, som kornet blev udsat for under dets dannelse, da solsystemet var en hvirvlende skive af gas og støv kendt som en protoplanetarisk skive eller soltåge. Sammenligning af forudsigelserne fra modellen med en ekstremt detaljeret analyse af prøvens kemiske sammensætning og krystalstruktur, sammen med en model af, hvordan stof blev transporteret i soltågen, afslørede spor om kornets rejse og de miljøforhold, der har formet det undervejs.

Kornet analyseret i undersøgelsen er en af ​​flere inklusioner, kendt som calcium-aluminium-rige indeslutninger, eller CAI'er, opdaget i en prøve fra Allende-meteoritten, som faldt over den mexicanske stat Chihuahua i 1969. CAI'er er af særlig interesse, fordi de menes at være blandt de første faste stoffer, der blev dannet i solsystemet for mere end 4,5 milliarder år siden.

Svarende til hvordan stempler i et pas fortæller en historie om en rejsendes rejse og stop undervejs, prøvernes strukturer i mikro- og atomskala låser op for deres dannelseshistorier, som var styret af de kollektive miljøer, de var udsat for.

"Så vidt vi ved, vores papir er det første, der fortæller en oprindelseshistorie, der giver fingerpeg om de sandsynlige processer, der skete på skalaen af ​​astronomiske afstande med det, vi ser i vores prøve på skalaen af ​​atomare afstande, " sagde Tom Zega, en professor ved University of Arizona's Lunar and Planetary Laboratory og den første forfatter af papiret, udgivet i The Planetary Science Journal.

Zega og hans team analyserede sammensætningen af ​​indeslutningerne indlejret i meteoritten ved hjælp af banebrydende atomopløsningsscanningstransmissionselektronmikroskoper - et på UArizonas Kuiper Materials Imaging and Characterization Facility, og dets søstermikroskop placeret på Hitachi-fabrikken i Hitachinaka, Japan.

Indeslutningerne viste sig hovedsageligt at bestå af typer mineraler kendt som spinel og perovskit, som også forekommer i klipper på Jorden og bliver undersøgt som kandidatmaterialer til anvendelser som mikroelektronik og fotovoltaik.

Lignende typer faste stoffer forekommer i andre typer meteoritter kendt som kulstofholdige kondritter, som er særligt interessante for planetforskere, da de er kendt for at være rester fra dannelsen af ​​solsystemet og indeholder organiske molekyler, herunder dem, der kan have leveret råvarerne for livet.

Netop at analysere det rumlige arrangement af atomer gjorde det muligt for holdet at studere sammensætningen af ​​de underliggende krystalstrukturer i detaljer. Til holdets overraskelse, nogle af resultaterne var i modstrid med nuværende teorier om de fysiske processer, der menes at være aktive inde i protoplanetariske diske, får dem til at grave dybere.

"Vores udfordring er, at vi ikke ved, hvilke kemiske veje der førte til oprindelsen af ​​disse indeslutninger, " sagde Zega. "Naturen er vores laboratoriebæger, og det eksperiment fandt sted milliarder af år før vi eksisterede, i et helt fremmed miljø."

Zega sagde, at holdet satte sig for at "reverse-engineere" sammensætningen af ​​de udenjordiske prøver ved at designe nye modeller, der simulerede komplekse kemiske processer, som prøverne ville blive udsat for inde i en protoplanetarisk skive.

"Sådanne modeller kræver en intim konvergens af ekspertise, der spænder over planetvidenskabens områder, materialevidenskab, mineralvidenskab og mikroskopi, hvilket var det, vi satte os for, " tilføjede Krishna Muralidharan, en studie medforfatter og en lektor i UArizonas Institut for Materialevidenskab og Engineering.

Baseret på dataene var forfatterne i stand til at tease fra deres prøver, de konkluderede, at partiklen blev dannet i et område af den protoplanetariske skive ikke langt fra hvor Jorden er nu, tog derefter en rejse tættere på solen, hvor det gradvist blev varmere, kun for senere at vende kursen og vaske op i køligere dele længere væk fra den unge sol. Til sidst, det blev inkorporeret i en asteroide, som senere brød i stykker. Nogle af disse stykker blev fanget af Jordens tyngdekraft og faldt som meteoritter.

Prøverne til denne undersøgelse blev taget fra indersiden af ​​en meteorit og betragtes som primitive - med andre ord, upåvirket af miljøpåvirkninger. Sådant primitivt materiale menes ikke at have undergået nogen væsentlige ændringer, siden det først blev dannet for mere end 4,5 milliarder år siden, hvilket er sjældent. Hvorvidt lignende objekter forekommer i asteroiden Bennu, hvoraf prøver vil blive returneret til Jorden af ​​den UArizona-ledede OSIRIS-REx-mission i 2023, mangler at se. Indtil da, forskere stoler på prøver, der falder til Jorden via meteoritter.

"Dette materiale er vores eneste registrering af, hvad der skete for 4,567 milliarder år siden i soltågen, " sagde Venkat Manga, en medforfatter af papiret og en assisterende forskningsprofessor i UArizona Department of Materials Science and Engineering. "At være i stand til at se på mikrostrukturen af ​​vores prøve i forskellige skalaer, ned til længden af ​​individuelle atomer, er som at åbne en bog."

Forfatterne sagde, at undersøgelser som denne kunne bringe planetforskere et skridt nærmere "en storslået model for planetdannelse" - en detaljeret forståelse af materialet, der bevæger sig rundt på skiven, hvad den består af, og hvordan det giver anledning til solen og planeterne.

Kraftige radioteleskoper som Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, eller ALMA, i Chile giver nu astronomer mulighed for at se stjernesystemer, mens de udvikler sig, sagde Zega.

"Måske kan vi på et tidspunkt kigge ind i diske i udvikling, og så kan vi virkelig sammenligne vores data mellem discipliner og begynde at besvare nogle af de virkelig store spørgsmål, " sagde Zega. "Opstår disse støvpartikler, hvor vi tror, ​​de gjorde i vores eget solsystem? Er de fælles for alle stjernesystemer? Skal vi forvente det mønster, vi ser i vores solsystem – klippeplaneter tæt på den centrale stjerne og gasgiganter længere ude – i alle systemer?

"Det er et virkelig interessant tidspunkt at være videnskabsmand, når disse felter udvikler sig så hurtigt, " tilføjede han. "Og det er fantastisk at være på en institution, hvor forskere kan danne tværfaglige samarbejder mellem førende astronomi, planetariske og materialevidenskabelige afdelinger på samme universitet."