Skulpteret af stjernelys:Et meteoritvidne til solsystemets fødsel

I 2011 videnskabsmænd bekræftede en mistanke:Der var en splittelse i det lokale kosmos. Prøver af solvinden bragt tilbage til Jorden af ​​Genesis-missionen bestemte, at iltisotoper i solen er forskellige fra dem, der findes på Jorden, månen og de andre planeter og satellitter i solsystemet.

Tidligt i solsystemets historie, materiale, der senere ville smelte sammen til planeter, var blevet ramt af en stor dosis ultraviolet lys, som kan forklare denne forskel. Hvor kom det fra? To teorier dukkede op:Enten kom det ultraviolette lys fra vores dengang unge sol, eller det kom fra en stor nærliggende stjerne i solens stjerneskole.

Nu, forskere fra Ryan Ogliores laboratorium, assisterende professor i fysik i kunst og videnskab ved Washington University i St. Louis, har afgjort, hvem der var ansvarlig for opdelingen. Det var højst sandsynligt lys fra en længe død massiv stjerne, der efterlod dette indtryk på solsystemets klippelegemer. Undersøgelsen blev ledet af Lionel Vacher, en postdoc-forsker i fysikafdelingens Laboratorium for Rumvidenskab.

Deres resultater er offentliggjort i tidsskriftet Geochimica og Cosmochimica Acta .

"Vi vidste, at vi var født af stjernestøv :det er, støv skabt af andre stjerner i vores galaktiske kvarter var en del af solsystemets byggesten, " sagde Ogliore.

"Men denne undersøgelse viste det stjernelys havde også en dyb indvirkning på vores oprindelse."

Lille tidskapsel

Al den dybhed var pakket ind i kun 85 gram sten, et stykke af en asteroide fundet som en meteorit i Algeriet i 1990, navngivet Acfer 094. Asteroider og planeter dannet af det samme præsolære materiale, men de er blevet påvirket af forskellige naturlige processer. De stenede byggeklodser, der smeltede sammen og dannede asteroider og planeter, blev brudt op og ramt; fordampet og rekombineret; og komprimeret og opvarmet. Men asteroiden, som Acfer 094 kom fra, formåede at overleve i 4,6 milliarder år for det meste uskadt.

"Dette er en af ​​de mest primitive meteoritter i vores samling, " sagde Vacher. "Den blev ikke opvarmet væsentligt. Den indeholder porøse områder og små korn, der er dannet omkring andre stjerner. Det er et pålideligt vidne til solsystemets dannelse."

Acfer 094 er også den eneste meteorit, der indeholder kosmisk symplektit, en sammenvoksning af jernoxid og jernsulfid med ekstremt tunge iltisotoper - et væsentligt fund.

Solen indeholder omkring 6 % mere af den letteste iltisotop sammenlignet med resten af ​​solsystemet. Det kan forklares med ultraviolet lys, der skinner på solsystemets byggesten, selektivt at nedbryde kuliltegas i dets atomer. Den proces skaber også et reservoir af meget tungere iltisotoper. Indtil kosmisk symplektit, imidlertid, ingen havde fundet denne tunge isotopsignatur i prøver af solsystemets materialer.

Med kun tre isotoper, imidlertid, blot at finde de tunge iltisotoper var ikke nok til at besvare spørgsmålet om lysets oprindelse. Forskellige ultraviolette spektre kunne have skabt det samme resultat.

"Det var da Ryan kom på ideen om svovlisotoper, " sagde Vacher.

Svovls fire isotoper ville efterlade deres mærker i forskellige forhold afhængigt af spektret af ultraviolet lys, der bestrålede hydrogensulfidgas i proto-solsystemet. En massiv stjerne og en ung sollignende stjerne har forskellige ultraviolette spektre.

Kosmisk symplektit dannet, når is på asteroiden smeltede og reagerede med små stykker jern-nikkel metal. Ud over ilt, kosmisk symplektit indeholder svovl i jernsulfid. Hvis dens ilt var vidne til denne ældgamle astrofysiske proces - som førte til de tunge iltisotoper - gjorde dens svovl måske det, også.

"Vi udviklede en model, " sagde Ogliore. "Hvis jeg havde en massiv stjerne, hvilke isotopanomalier ville blive skabt? Hvad med en ung, sollignende stjerne? Præcisionen af ​​modellen afhænger af de eksperimentelle data. Heldigvis, andre videnskabsmænd har lavet store eksperimenter med, hvad der sker med isotopforhold, når svovlbrinte bestråles med ultraviolet lys."

Svovl- og oxygenisotopmålinger af kosmisk symplektit i Acfer 094 viste en anden udfordring. Kornene, titusvis af mikrometer i størrelse og en blanding af mineraler, krævede nye teknikker på to forskellige in-situ sekundære-ion massespektrometre:NanoSIMS i fysikafdelingen (med assistance fra Nan Liu, forskningsassistent i fysik) og 7f-GEO i Institut for Jord- og Planetvidenskab, også i Arts &Sciences.

At lægge puslespillet sammen

Det hjalp at have venner inden for jord- og planetvidenskab, især David Fike, professor i jord- og planetvidenskab og direktør for Environmental Studies in Arts &Sciences samt direktør for International Center for Energy, Miljø og bæredygtighed, og Clive Jones, forsker i jord- og planetvidenskab.

"De er eksperter i højpræcision in-situ svovlisotopmålinger til biogeokemi, " sagde Ogliore. "Uden dette samarbejde, vi ville ikke have opnået den præcision, vi havde brug for for at skelne mellem den unge sol og massive stjernescenarier."

Svovlisotopmålingerne af kosmisk symplektit var i overensstemmelse med ultraviolet bestråling fra en massiv stjerne, men passede ikke til UV-spektret fra den unge sol. Resultaterne giver et unikt perspektiv på det astrofysiske miljø ved solens fødsel for 4,6 milliarder år siden. Tilstødende massive stjerner var sandsynligvis tæt nok på, at deres lys påvirkede solsystemets dannelse. Sådan en nærliggende massiv stjerne på nattehimlen ville virke lysere end fuldmånen.

I dag, vi kan se til himlen og se en lignende oprindelseshistorie udspille sig andre steder i galaksen.

"Vi ser begyndende planetsystemer, kaldet proplyds, i Orion-tågen, der fotofordampes af ultraviolet lys fra nærliggende massive O- og B-stjerner, " sagde Vacher.

"Hvis proplyderne er for tæt på disse stjerner, de kan rives fra hinanden, og planeter dannes aldrig. Vi ved nu, at vores eget solsystem ved dets fødsel var tæt nok til at blive påvirket af disse stjerners lys, sagde han. Men heldigvis ikke for tæt på." Dette arbejde blev støttet af McDonnell Center for Space Sciences ved Washington University i St. Louis og NASA-bevillingen NNX14AF22G.