Ny type kosmisk støv i meteorit kan afsløre oprindelsen af ​​vand på Jorden

Forskere har opdaget en ny type stjernestøv, hvis sammensætning indikerer, at det er dannet under en sjælden form for nukleosyntese (den proces, hvorigennem nye atomkerner skabes) og kunne kaste nyt lys over vandets historie på Jorden.

Et hold ledet af kosmokemikere fra Caltech og Victoria University of Wellington i New Zealand studerede ældgamle mineralaggregater i Allende-meteoritten (som faldt til Jorden i 1969) og fandt ud af, at mange af dem havde usædvanligt høje mængder af strontium-84, en relativt sjælden let isotop af grundstoffet strontium, der er opkaldt efter de 84 neutroner i dens kerne.

"Strontium-84 er en del af en familie af isotoper fremstillet ved en nukleosyntetisk proces, kaldet p-processen, som forbliver mystisk, " siger Caltechs François L. H. Tissot, adjunkt i geokemi. "Vores resultater peger på overlevelsen af ​​korn, der muligvis indeholder ren strontium-84. Det er spændende, da den fysiske identifikation af sådanne korn ville give en unik chance for at lære mere om p-processen."

Tissot og samarbejdspartner Bruce L. A. Charlier fra Victoria University of Wellington er co-lead forfattere på en undersøgelse, der beskriver resultaterne, der blev offentliggjort i Videnskabens fremskridt den 9. juli.

"Dette er virkelig interessant, " siger Charlier. "Vi vil gerne vide, hvad arten af ​​dette materiale er, og hvordan det passer ind i blandingen af ​​ingredienser, der dannede opskriften på planeterne."

Strontium (atomsymbol:Sr), et kemisk reaktivt metal, har fire stabile isotoper:strontium-84 og dens tungere fætre, der har 86, 87, eller 88 neutroner i deres kerner. Forskere har fundet ud af, at strontium er nyttigt, når man forsøger at datere objekter fra det tidlige solsystem, fordi en af ​​dets tunge isotoper, strontium-87, produceres ved henfaldet af den radioaktive isotop rubidium-87 (atomsymbol:Rb).

Rubidium-87 har en meget lang halveringstid, 49 milliarder år, hvilket er mere end tre gange universets alder. Halveringstid repræsenterer den tid, der kræves for en isotops radioaktivitet at falde til halvdelen af ​​dens oprindelige værdi, tillader disse isotoper at tjene som kronometre til datering af prøver på forskellige tidsskalaer. Den mest berømte radioaktive isotop brugt til datering er kulstof-14, den radioaktive isotop af kulstof; med en halveringstid på omkring 5, 700 år, kulstof-14 kan bruges til at bestemme alderen af ​​organiske (kulstofholdige) materialer på menneskelige tidsskalaer, op til omkring 60, 000 år. Rubidium-87, i modsætning, kan bruges til at datere de ældste objekter i universet, og, tættere på hjemmet, objekterne i solsystemet.

Det, der er særligt attraktivt ved at bruge Rb-Sr-parret til dating er, at rubidium er et flygtigt grundstof - dvs. det har en tendens til at fordampe og danne en gasfase ved selv relativt lave temperaturer - mens strontium ikke er flygtigt. Som sådan, rubidium er til stede i en højere andel i solsystemobjekter, der er rige på andre flygtige stoffer (såsom vand), fordi de dannes ved lavere temperaturer.

Kontraintuitivt, Jorden har et Rb/Sr-forhold, der er 10 gange lavere end for vandrige meteoritter, hvilket antyder, at planeten enten ophobede sig fra vandfattige (og dermed rubidiumfattige) materialer, eller den ophobet sig fra vandrige materialer, men mistede det meste af sit vand over tid såvel som sit rubidium. At forstå hvilke af disse scenarier, der fandt sted, er vigtigt for at forstå oprindelsen af ​​vand på Jorden.

I teorien, Rb-Sr-kronometeret burde være i stand til at skille disse to scenarier ad, da mængden af ​​Sr-87 produceret af radioaktivt henfald i en given mængde tid ikke vil være den samme, hvis Jorden startede med en masse rubidium kontra mindre af materialet.

I sidstnævnte scenarie, dvs. med mindre rubidium, den nydannede Jord ville have været fattig på flygtige stoffer som vand, således ville mængden af ​​Sr-87 i jorden og i flygtige-fattige meteoritter svare til den, der observeres i de ældste kendte solsystemfaststoffer, de såkaldte CAI'er. CAI'er er calcium- og aluminiumrige indeslutninger, der findes i visse meteoritter. Går 4,567 milliarder år tilbage, CAI'er repræsenterer de første objekter, der kondenserede i den tidlige soltåge, det fladtrykte, roterende skive af gas og støv, hvorfra solsystemet blev født. Som sådan, CA'er giver et geologisk vindue til, hvordan og af hvilken type stjernematerialer solsystemet er dannet.

"De er kritiske vidner til de processer, der skete, mens solsystemet blev dannet, " siger Tissot.

Imidlertid, sammensætningen af ​​CAI'er har længe forvirret videnskabsmænds evne til at afgøre, om Jorden for det meste blev dannet tør eller ej. Det er fordi CA'er, i modsætning til andre solsystemmaterialer, har unormale forhold mellem de fire strontiumisotoper, med en let forhøjet andel af strontium-84. Dermed, de udgør en udfordring for gyldigheden af ​​rubidium-strontium-dateringssystemet. Og de rejser også et centralt spørgsmål:Hvorfor er de forskellige?

For at lære mere, Tissot og Charlier tog ni eksemplarer af såkaldte finkornede CA'er. Finkornede CAI'er har bevaret deres kondensat (dvs. snefnuglignende) tekstur, hvilket vidner om deres uberørte natur.

Holdet udvaskede omhyggeligt disse CAI'er ved at bade dem i gradvist hårdere syrer for at fjerne de mere kemisk reaktive mineraler (og det strontium, de indeholder), efterlader et koncentrat af kun den mest modstandsdygtige fraktion. Den endelige prøve indeholdt næsten ren Sr-84, mens en typisk prøve er sammensat af 0,56 procent Sr-84.

"Trinudvaskning er lidt af et stumpt instrument, fordi du ikke er helt sikker på, hvad det præcist er, du ødelægger ved hvert trin, " siger Charlier. "Men kernen i det, vi har fundet, er, når du har fjernet 99 procent af de almindelige komponenter i CAI'erne, Det, vi står tilbage med, er noget meget eksotisk, som vi ikke havde forventet."

"Signaturen er ulig noget andet, der findes i solsystemet, " siger Tissot. Kornene med denne signatur, Tissot og Charlier konkluderede, må være dannet før solsystemets fødsel og overlevet den katastrofale proces, hvorunder stjernekorn blev opvarmet til ekstremt høje temperaturer, fordampet, og derefter kondenseret til faste materialer.

I betragtning af den relative overflod af strontium-84, opdagelsen peger på den sandsynlige eksistens i meteoritter af nanometerstore korn indeholdende næsten ren strontium-84, der blev dannet under en sjælden nukleosyntetisk proces før dannelsen af ​​selve solsystemet. Naturen af ​​disse korn er stadig et mysterium, da kun deres isotopsammensætning i strontium afslører deres eksistens. Men de høje niveauer af Sr-84 i CAI'erne tyder på, at Jorden og flygtige-fattige meteoritter har mere strontium-87 end CAI'er, favoriserer det scenarie, hvor Jorden akkumulerede med mere vand og flygtige elementer, som efterfølgende gik tabt inden for de første par millioner år efter deres dannelse.

Det Videnskabens fremskridt papiret har titlen "Overlevelse af præsolære p-nuklidbærere i tågen afsløret ved trinvis udvaskning af Allende ildfaste indeslutninger."