Naukowcy śledzą podróż ziaren pyłu przez nowo narodzony układ słonecznyحديث

Zespół badawczy kierowany przez University of Arizona zrekonstruował bezprecedensowe szczegóły historii ziarna pyłu, które uformowało się podczas narodzin Układu Słonecznego ponad 4,5 miliarda lat temu. Wyniki dostarczają wglądu w podstawowe procesy leżące u podstaw powstawania układów planetarnych, z których wiele pozostaje owianych tajemnicą.

Na potrzeby badań zespół opracował nowy typ szkieletu, który łączy mechanikę kwantową i termodynamikę, aby symulować warunki, jakich doświadczały ziarna podczas formowania, gdy Układ Słoneczny był wirującym dyskiem gazu i pyłu, znanym jako protoplanety. dysk lub mgławica słoneczna. Porównanie przewidywań z modelu z bardzo szczegółową analizą składu chemicznego próbki i struktury krystalicznej, wraz z modelem transportu materii w mgławicy słonecznej, ujawniło wskazówki dotyczące lotu ziarna i warunków środowiskowych, które go ukształtowały po drodze .

Ziarna analizowane w badaniu są jednym z kilku inkluzji, znanych jako inkluzje bogate w wapń i glin lub CAI, które zostały odkryte w próbce meteorytu Allende, który spadł na meksykański stan Chihuahua w 1969 roku. Uważa się, że być jednym z pierwszych ciał stałych, które powstały w Układzie Słonecznym ponad 4,5 miliarda lat temu.

Podobnie jak pieczątki w paszporcie opowiadają historię podróży i przystanków po drodze, tak precyzyjne struktury próbek w skali atomowej otwierają zapis historii ich powstawania, kontrolowanej przez zbiorowe środowiska, z jakimi mieli do czynienia. . .

„Według naszej wiedzy, nasz artykuł jest pierwszym, który opowiada historię pochodzenia, która dostarcza wskazówek na temat możliwych procesów zachodzących w skali odległości astronomicznej z tym, co widzimy w naszej próbce w skali odległości atomowej” – powiedział Tom Zega. , który jest profesorem w Laboratorium Księżycowym i Planetarnym Uniwersytetu Arizony i pierwszym autorem artykułu badawczego, który został opublikowany w Journal of Planetary Science.

Zega i jego zespół przeanalizowali skład zanieczyszczeń osadzonych w meteorycie za pomocą zaawansowanych skaningowych mikroskopów elektronowych o rozdzielczości atomowej — jednego w zakładzie obrazowania i charakteryzacji materiałów Kuipera w UArizona oraz siostrzanego mikroskopu znajdującego się w zakładzie Hitachi w Hitachinaka w Japonii.

Zawarte pierwiastki znajdują się głównie w typach minerałów znanych jako spinel i perowskit, które występują również w skałach na Ziemi i są badane jako materiały kandydujące do zastosowań takich jak mikroelektronika i fotowoltaika.

Podobne rodzaje ciał stałych występują w innych typach meteorytów, znanych jako chondryty węglowe, które są szczególnie interesujące dla planetologów, ponieważ wiadomo, że są pozostałościami po powstaniu Układu Słonecznego i zawierają cząsteczki organiczne, w tym te, które mogły dostarczyć Surowy materiał na życie.

Dokładna analiza przestrzennego rozmieszczenia atomów umożliwiła zespołowi bardzo szczegółowe zbadanie składu podstawowych struktur krystalicznych. Ku zaskoczeniu zespołu, niektóre odkrycia były sprzeczne z aktualnymi teoriami na temat procesów fizycznych, które uważano za aktywne w dyskach protoplanetarnych, co skłoniło je do głębszego kopania.

„Naszym wyzwaniem jest to, że nie wiemy, jakie szlaki chemiczne prowadzą do tych wtrąceń” – powiedział Zigga. „Natura to nasza zlewka laboratoryjna, a ten eksperyment miał miejsce miliardy lat przed naszym istnieniem, w całkowicie obcym środowisku”.

Ziga powiedział, że zespół postanowił „odwrócić” skład próbek pozaziemskich poprzez zaprojektowanie nowych modeli symulujących złożone procesy chemiczne, którym próbki podlegałyby w dysku protoplanetarnym.

„Modele takie jak ten wymagają ścisłej zbieżności wiedzy eksperckiej obejmującej dziedziny planetologii, materiałoznawstwa, mineraloznawstwa i mikroskopii, co zamierzamy zrobić” – dodał Krishna Muralidaran, współautor badania i profesor nadzwyczajny w Uniwersytet Arizony. Katedra Inżynierii Materiałowej.

Na podstawie danych, które autorzy byli w stanie ekstrapolować ze swoich próbek, doszli do wniosku, że cząstka uformowała się w obszarze dysk protoplanetarny Niedaleko od miejsca, w którym teraz jest Ziemia, odbył podróż bliżej Słońca, gdzie było coraz goręcej, by później zmienić kurs i zmyć w chłodniejszych partiach z dala od młodego słońca. Ostatecznie połączył się w asteroidę, która później rozbiła się na kawałki. Niektóre z tych kawałków zostały zebrane przez grawitację Ziemi i spadły jako meteoryty.

To badanie zostało pobrane z meteorytu i jest uważane za prymitywne – innymi słowy, na które nie mają wpływu wpływy środowiska. Uważa się, że ten pierwotny materiał nie przeszedł żadnych znaczących zmian od czasu powstania ponad 4,5 miliarda lat temu, co jest zjawiskiem rzadkim. Nadal musimy sprawdzić, czy istnieją podobne obiekty, które wystąpiły na asteroidzie Bennu, których próbki zostaną zwrócone na Ziemię przez misję OSIRIS-REx kierowaną przez UArizonę w 2023 roku. Do tego czasu naukowcy polegają na próbkach spadających na Ziemię przez meteoryty.

„Materiał ten jest jedynym zapisem, jaki posiadamy na temat tego, co wydarzyło się 4,567 miliarda lat temu w mgławicy słonecznej” – powiedział Venkat Manga, współautor artykułu i adiunkt na Wydziale Materiałoznawstwa i Inżynierii w Arizonie. „Możliwość przyjrzenia się mikrostrukturze naszej próbki w różnych skalach, aż do długości pojedynczych atomów, jest jak otwieranie książki”.

Autorzy stwierdzili, że takie badania mogą zbliżyć planetologów o krok do „masywnego modelu formowania się planet” – szczegółowego zrozumienia materii, która porusza się wokół dysku, jego składników i sposobu, w jaki powstaje Słońce. i planety.

Potężne radioteleskopy, takie jak Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array lub ALMA w Chile, pozwalają teraz astronomom obserwować ewolucję układów gwiazdowych, powiedział Ziga.

„Być może w pewnym momencie przyjrzymy się najnowocześniejszym dyskom, a potem naprawdę porównamy nasze dane z różnych dyscyplin i zaczniemy odpowiadać na niektóre z tych naprawdę ważnych pytań” – powiedział Zigga. „Czy te cząstki pyłu powstają tam, gdzie naszym zdaniem pojawiły się w naszym Układzie Słonecznym? Czy są wspólne dla wszystkich systemów gwiezdnych? Czy powinniśmy spodziewać się wzorca, który widzimy w naszym Układzie Słonecznym – planet skalistych blisko centralnej gwiazdy i gazowych olbrzymów daleko – we wszystkich systemach?”

„To naprawdę fajny czas być naukowcem, kiedy te dziedziny rozwijają się tak szybko” – dodał. „Wspaniale jest być w instytucji, w której naukowcy mogą nawiązać interdyscyplinarną współpracę między wiodącymi wydziałami astronomii, planetologii i materiałoznawstwa na tym samym uniwersytecie”.