De flesta meteoriter som har landat på jorden är fragment av planetesimaler, de allra tidigaste protoplanetära kropparna i solsystemet. Forskare har trott att dessa urkroppar antingen helt smält tidigt i sin historia eller förblev som högar av osmält spillror.

Men en familj av meteoriter har förvirrat forskare sedan upptäckten på 1960-talet. De olika fragmenten, finns över hela världen, verkar ha brutit av från samma urkropp, och ändå indikerar sammansättningen av dessa meteoriter att deras förälder måste ha varit en förbryllande chimär som var både smält och osmält.

Nu har forskare vid MIT och på andra håll fastställt att moderkroppen till dessa sällsynta meteoriter verkligen var en flerskiktad, differentierat föremål som sannolikt hade en flytande metallisk kärna. Denna kärna var tillräckligt stor för att generera ett magnetfält som kan ha varit lika starkt som jordens magnetfält är idag.

Deras resultat, publiceras i tidskriften Vetenskapens framsteg , tyder på att mångfalden av de tidigaste objekten i solsystemet kan ha varit mer komplex än forskare hade antagit.

"Detta är ett exempel på en planetesimal som måste ha haft smälta och osmälta lager. Det uppmuntrar sökningar efter fler bevis på sammansatta planetstrukturer, " säger huvudförfattaren Clara Maurel, en doktorand vid MIT:s Department of Earth, Atmosfärisk, och Planetary Sciences (EAPS). "Förstå hela spektrumet av strukturer, från icke smält till helt smält, är nyckeln till att dechiffrera hur planetesimaler bildades i det tidiga solsystemet."

Maurels medförfattare inkluderar EAPS-professor Benjamin Weiss, tillsammans med medarbetare vid Oxford University, Cambridge universitetet, University of Chicago, Lawrence Berkeley National Laboratory, och Southwest Research Institute.

Oddball järn

Solsystemet bildades för cirka 4,5 miljarder år sedan som en virvel av superhet gas och damm. När denna skiva gradvis svalnade, bitar av materia kolliderade och smälte samman för att bilda allt större kroppar, såsom planetesimals.

Majoriteten av meteoriter som har fallit till jorden har sammansättningar som tyder på att de kom från så tidiga planetesimaler som var en av två typer:smält, och osmält. Båda typerna av föremål, forskare tror, skulle ha bildats relativt snabbt, på mindre än några miljoner år, tidigt i solsystemets evolution.

Om en planetesimal bildades under de första 1,5 miljoner åren av solsystemet, kortlivade radiogena element kunde ha smält kroppen helt och hållet på grund av den värme som frigörs av deras förfall. Osmälta planetesimaler kunde ha bildats senare, när deras material hade lägre mängder radiogena element, otillräcklig för smältning.

Det har funnits få bevis i meteoritregistret för mellanliggande föremål med både smält och osmält sammansättning, förutom en sällsynt familj av meteoriter som kallas IIE-järn.

"Dessa IIE-järn är udda meteoriter, " säger Weiss. "De visar båda bevis för att vara från urobjekt som aldrig smälte, och även bevis för att komma från en kropp som är helt eller åtminstone väsentligt smält. Vi har inte vetat var vi ska placera dem, och det var det som fick oss att tappa dem."

Magnetiska fickor

Forskare har tidigare funnit att både smälta och osmälta IIE-meteoriter härstammar från samma gamla planetesimal, som troligen hade en fast skorpa över en flytande mantel, som jorden. Maurel och hennes kollegor undrade om planetesimalen också kan ha hyst en metallisk, smält kärna.

"Smälte detta föremål tillräckligt för att materialet sjönk till mitten och bildade en metallisk kärna som jordens?" säger Maurel. "Det var den saknade biten i berättelsen om dessa meteoriter."

Teamet resonerade att om planetesimalen var värd för en metallisk kärna, det kunde mycket väl ha genererat ett magnetfält, liknar hur jordens kärnande flytande kärna producerar ett magnetfält. Ett sådant uråldrigt fält kunde ha fått mineraler i planetesimalen att peka i fältets riktning, som en nål i en kompass. Vissa mineraler kunde ha behållit denna anpassning under miljarder år.

Maurel och hennes kollegor undrade om de kunde hitta sådana mineraler i prover av IIE-meteoriter som hade kraschat mot jorden. De fick två meteoriter, som de analyserade för en typ av järn-nickel-mineral känd för sina exceptionella magnetism-registrerande egenskaper.

Teamet analyserade proverna med Lawrence Berkeley National Laboratory's Advanced Light Source, som producerar röntgenstrålar som interagerar med mineralkorn på nanometerskala, på ett sätt som kan avslöja mineralernas magnetiska riktning.

Säker nog, elektronerna i ett antal korn var inriktade i en liknande riktning - bevis på att moderkroppen genererade ett magnetfält, möjligen upp till flera tiotals mikrotesla, som handlar om styrkan av jordens magnetfält. Efter att ha uteslutit mindre trovärdiga källor, teamet drog slutsatsen att magnetfältet troligen producerades av en flytande metallisk kärna. För att skapa ett sådant fält, de uppskattar att kärnan måste ha varit minst flera tiotals kilometer bred.

Sådana komplexa planetesimaler med blandad sammansättning (båda smält, i form av en flytande kärna och mantel, och osmält i form av en fast skorpa), Maurel säger, skulle troligen ha tagit över flera miljoner år att bilda – en bildningsperiod som är längre än vad forskare hade antagit tills nyligen.

Men var i moderkroppen kom meteoriterna ifrån? Om magnetfältet genererades av moderkroppens kärna, detta skulle innebära att de fragment som till slut föll till jorden inte kunde ha kommit från själva kärnan. Det beror på att en vätskekärna bara genererar ett magnetiskt fält medan den fortfarande är varm. Alla mineraler som skulle ha registrerat det gamla fältet måste ha gjort det utanför kärnan, innan själva kärnan svalnat helt.

Arbeta med medarbetare vid University of Chicago, teamet körde höghastighetssimuleringar av olika formationsscenarier för dessa meteoriter. De visade att det var möjligt för en kropp med en flytande kärna att kollidera med ett annat föremål, och för att stöten ska lossna material från kärnan. Det materialet skulle sedan vandra till fickor nära ytan där meteoriterna har sitt ursprung.

"När kroppen svalnar, meteoriterna i dessa fickor kommer att prägla detta magnetfält i sina mineraler. Vid något tillfälle, magnetfältet kommer att avta, men avtrycket kommer att finnas kvar, säger Maurel. Senare, den här kroppen kommer att genomgå många andra kollisioner fram till de ultimata kollisioner som kommer att placera dessa meteoriter på jordens bana."

Var en så komplex planetesimal en extremist i det tidiga solsystemet, eller ett av många sådana differentierade objekt? Svaret, Weiss säger, kan ligga i asteroidbältet, en region befolkad med urlämningar.

"De flesta kroppar i asteroidbältet verkar osmälta på sin yta, " säger Weiss. "Om vi ​​så småningom kan se inuti asteroider, vi kanske testar denna idé. Kanske har några asteroider smält inuti, och kroppar som denna planetesimal är faktiskt vanliga."