Forskere finder bevis på, at det tidlige solsystem rummede et hul mellem dets indre og ydre regioner

I det tidlige solsystem, en "protoplanetarisk skive" af støv og gas roterede rundt om solen og smeltede til sidst sammen til de planeter, vi kender i dag.

En ny analyse af gamle meteoritter foretaget af forskere ved MIT og andre steder tyder på, at der eksisterede et mystisk hul i denne disk for omkring 4,567 milliarder år siden, tæt på det sted, hvor asteroidebæltet ligger i dag.

Holdets resultater, optræder i dag i Videnskabens fremskridt , give direkte beviser for dette hul.

"I løbet af det sidste årti, observationer har vist, at hulrum, huller, og ringe er almindelige i skiver omkring andre unge stjerner, " siger Benjamin Weiss, professor i planetariske videnskaber i MIT's Department of Earth, Atmosfærisk, og Planetariske Videnskaber (EAPS). "Dette er vigtige, men dårligt forståede signaturer af de fysiske processer, hvorved gas og støv forvandles til den unge sol og planeter."

Ligeledes forbliver årsagen til et sådant hul i vores eget solsystem et mysterium. En mulighed er, at Jupiter kan have været en indflydelse. Da gasgiganten tog form, dens enorme tyngdekraft kunne have skubbet gas og støv mod udkanten, efterlader et hul i udviklingsdisken.

En anden forklaring kan have at gøre med vinde, der dukker op fra skivens overflade. Tidlige planetsystemer er styret af stærke magnetiske felter. Når disse felter interagerer med en roterende skive af gas og støv, de kan producere vinde kraftige nok til at blæse materiale ud, efterlader et hul i disken.

Uanset dens oprindelse, et hul i det tidlige solsystem fungerede sandsynligvis som en kosmisk grænse, forhindrer materiale på begge sider af det i at interagere. Denne fysiske adskillelse kunne have formet sammensætningen af ​​solsystemets planeter. For eksempel, på indersiden af ​​mellemrummet, gas og støv smeltede sammen som jordiske planeter, inklusive Jorden og Mars, mens gas og støv forsvandt til den anden side af hullet dannet i isområder, som Jupiter og dens nabogasgiganter.

"Det er ret svært at krydse dette hul, og en planet ville have brug for en masse eksternt drejningsmoment og momentum, " siger hovedforfatter og EAPS-kandidatstuderende Cauê Borlina. "Så, dette giver bevis for, at dannelsen af ​​vores planeter var begrænset til specifikke områder i det tidlige solsystem."

Weiss og Borlinas medforfattere inkluderer Eduardo Lima, Nilanjan Chatterjee, og Elias Mansbach fra MIT, James Bryson fra Oxford University, og Xue-Ning Bai fra Tsinghua University.

En opdeling i rummet

I løbet af det sidste årti, videnskabsmænd har observeret en mærkelig splittelse i sammensætningen af ​​meteoritter, der har fundet vej til Jorden. Disse rumsten blev oprindeligt dannet på forskellige tidspunkter og steder, mens solsystemet var ved at tage form. De, der er blevet analyseret, udviser en af ​​to isotopkombinationer. Sjældent har meteoritter vist sig at udvise begge dele - en gåde kendt som den "isotopiske dikotomi".

Forskere har foreslået, at denne dikotomi kan være resultatet af et hul i det tidlige solsystems disk, men et sådant hul er ikke blevet direkte bekræftet.

Weiss' gruppe analyserer meteoritter for tegn på ældgamle magnetfelter. Efterhånden som et ungt planetsystem tager form, det bærer et magnetfelt med sig, hvis styrke og retning kan ændre sig afhængigt af forskellige processer inden for den udviklende disk. Som gammelt støv samlede sig til korn kendt som chondrules, elektroner i kondruler, der er justeret med det magnetiske felt, hvori de er dannet.

Chondrules kan være mindre end diameteren af ​​et menneskehår, og findes i meteoritter i dag. Weiss' gruppe har specialiseret sig i at måle kondruler for at identificere de gamle magnetfelter, som de oprindeligt blev dannet i.

I tidligere arbejde, gruppen analyserede prøver fra en af ​​de to isotopgrupper af meteoritter, kendt som de ikke-kulstofholdige meteoritter. Disse sten menes at være opstået i et "reservoir, " eller region af det tidlige solsystem, relativt tæt på solen. Weiss' gruppe har tidligere identificeret det ældgamle magnetfelt i prøver fra denne tætte region.

En meteoritmismatch

I deres nye undersøgelse, forskerne spekulerede på, om magnetfeltet ville være det samme i den anden isotop, "kulstofholdig" gruppe af meteoritter, hvilken, at dømme ud fra deres isotopiske sammensætning, menes at være opstået længere ude i solsystemet.

De analyserede kondruler, hver måler omkring 100 mikron, fra to kulstofholdige meteoritter, der blev opdaget i Antarktis. Ved at bruge den superledende kvanteinterferensenhed, eller Blæksprutte, et højpræcisionsmikroskop i Weiss' laboratorium, holdet bestemte hver chondrules originale, gammelt magnetfelt.

Overraskende nok, de fandt ud af, at deres feltstyrke var stærkere end den for de tættere ikke-kulstofholdige meteoritter, de tidligere målte. Mens unge planetsystemer tager form, forskere forventer, at styrken af ​​magnetfeltet vil falde med afstanden fra solen.

I modsætning, Borlina og hans kolleger fandt ud af, at de langt ude kondruler havde et stærkere magnetfelt, på omkring 100 mikroteslas, sammenlignet med et felt på 50 mikroteslas i de tættere kondruler. Til reference, Jordens magnetfelt er i dag omkring 50 mikroteslas.

Et planetsystems magnetfelt er et mål for dets tilvæksthastighed, eller mængden af ​​gas og støv, den kan trække ind i sit centrum over tid. Baseret på de kulholdige kondrulers magnetfelt, solsystemets ydre område må have ophobet meget mere masse end det indre område.

Brug af modeller til at simulere forskellige scenarier, holdet konkluderede, at den mest sandsynlige forklaring på misforholdet i tilvækstrater er eksistensen af ​​en kløft mellem de indre og ydre regioner, hvilket kunne have reduceret mængden af ​​gas og støv, der strømmer mod solen fra de ydre områder.

"Mellem er almindelige i protoplanetariske systemer, og vi viser nu, at vi havde en i vores eget solsystem, Borlina siger. "Dette giver svaret på denne mærkelige dikotomi, vi ser i meteoritter, og giver bevis for, at huller påvirker sammensætningen af ​​planeter."