Konstnärs illustration av det tidiga solsystemet, vid en tidpunkt då inga planeter hade bildats ännu. Ett virvlande moln av gas och damm omgav den unga solen. Utskärningen genom denna så kallade protoplanetära skiva visar dess tredimensionella struktur. Kredit:Heather Roper
En forskargrupp ledd av University of Arizona har i oöverträffad detalj rekonstruerat historien om ett dammkorn som bildades under solsystemets födelse för mer än 4,5 miljarder år sedan. Fynden ger insikter i de grundläggande processerna som ligger till grund för bildandet av planetsystem, av vilka många fortfarande är höljda i mystik.
För studien, teamet utvecklade en ny typ av ramverk, som kombinerar kvantmekanik och termodynamik, för att simulera de förhållanden som spannmålet utsattes för under dess bildande, när solsystemet var en virvlande skiva av gas och damm känd som en protoplanetarisk skiva eller solnebulosa. Att jämföra förutsägelserna från modellen med en extremt detaljerad analys av provets kemiska sammansättning och kristallstruktur, tillsammans med en modell av hur materia transporterades i solnebulosan, avslöjade ledtrådar om spannmålens resa och de miljöförhållanden som format det längs vägen.
Spannmålet som analyserades i studien är en av flera inneslutningar, kända som kalcium-aluminiumrika inneslutningar, eller CAI, upptäckt i ett prov från Allende-meteoriten, som föll över den mexikanska delstaten Chihuahua 1969. CAI är av speciellt intresse eftersom de tros vara bland de första fasta ämnen som bildades i solsystemet för mer än 4,5 miljarder år sedan.
I likhet med hur stämplar i ett pass berättar en historia om en resenärs resa och stopp längs vägen, provernas strukturer i mikro- och atomskala låser upp ett register över deras bildningshistoria, som styrdes av de kollektiva miljöer som de utsattes för.
"Så vitt vi vet, vår tidning är den första som berättar en ursprungshistoria som ger ledtrådar om de sannolika processer som hände på skalan av astronomiska avstånd med vad vi ser i vårt prov på skalan av atomära avstånd, sa Tom Zega, en professor vid University of Arizona's Lunar and Planetary Laboratory och den första författaren till tidningen, publiceras i The Planetary Science Journal.
Zega och hans team analyserade sammansättningen av inneslutningarna inbäddade i meteoriten med hjälp av banbrytande atomupplösningsskanningselektronmikroskop - ett vid UArizonas Kuiper Materials Imaging and Characterization Facility, och dess systermikroskop beläget på Hitachi-fabriken i Hitachinaka, Japan.
En skiva genom en Allende-meteorit avslöjar olika sfäriska partiklar, känd som chondrules. Den oregelbundet formade "ön" till vänster om mitten är en kalcium-aluminiumrik inneslutning, eller CAI. Kornet i denna studie isolerades från en sådan CAI. Kredit:Shiny Things/Wikimedia Commons
Inneslutningarna visade sig huvudsakligen bestå av typer av mineraler som kallas spinell och perovskit, som också förekommer i bergarter på jorden och som studeras som kandidatmaterial för tillämpningar som mikroelektronik och solceller.
Liknande typer av fasta ämnen förekommer i andra typer av meteoriter som kallas kolhaltiga kondriter, som är särskilt intressanta för planetforskare eftersom de är kända för att vara rester från bildandet av solsystemet och innehåller organiska molekyler, inklusive de som kan ha tillhandahållit råvarorna för livet.
Exakt analys av det rumsliga arrangemanget av atomer gjorde det möjligt för teamet att studera sammansättningen av de underliggande kristallstrukturerna i detalj. Till lagets förvåning, några av resultaten var i strid med nuvarande teorier om de fysiska processer som tros vara aktiva inuti protoplanetära skivor, får dem att gräva djupare.
"Vår utmaning är att vi inte vet vilka kemiska vägar som ledde till ursprunget till dessa inneslutningar, " sa Zega. "Naturen är vår labbbägare, och det experimentet ägde rum miljarder år innan vi existerade, i en helt främmande miljö."
Zega sa att laget satte sig för att "reverse-engineera" sammansättningen av de utomjordiska proverna genom att designa nya modeller som simulerade komplexa kemiska processer, som proverna skulle utsättas för inuti en protoplanetarisk skiva.
"Sådana modeller kräver en intim konvergens av expertis som spänner över planetvetenskapens områden, materialvetenskap, mineralvetenskap och mikroskopi, vilket var vad vi ville göra, " tillade Krishna Muralidharan, en studie medförfattare och en docent vid UArizonas institution för materialvetenskap och teknik.
Illustration av den dynamiska historia som den modellerade partikeln kunde ha upplevt under bildandet av solsystemet. Att analysera partikelns strukturer i mikro- och atomskala och kombinera dem med nya modeller som simulerade komplexa kemiska processer i skivan avslöjade dess möjliga resa under loppet av många omloppsbanor runt solen (bildtext och diagram till höger). Med sitt ursprung inte långt från där jorden skulle bildas, säden transporterades in i det inre, varmare regioner, och så småningom sköljdes upp i kallare områden. Kredit:Heather Roper/Tom Zega et al.
Baserat på uppgifterna kunde författarna reta från sina prover, de drog slutsatsen att partikeln bildades i en region av den protoplanetära skivan inte långt från där jorden är nu, gjorde sedan en resa närmare solen, där det blev allt varmare, bara för att senare vända kursen och skölja upp i svalare delar längre bort från den unga solen. Så småningom, den inkorporerades i en asteroid, som senare gick sönder i bitar. Några av dessa bitar fångades av jordens gravitation och föll som meteoriter.
Proverna för denna studie togs från insidan av en meteorit och anses vara primitiva – med andra ord, opåverkad av miljöpåverkan. Sådant primitivt material tros inte ha genomgått några betydande förändringar sedan det först bildades för mer än 4,5 miljarder år sedan, vilket är sällsynt. Huruvida liknande objekt förekommer i asteroiden Bennu, varav prover kommer att returneras till jorden av det UArizona-ledda OSIRIS-REx-uppdraget 2023, återstår att se. Tills dess, forskare litar på prover som faller till jorden via meteoriter.
"Detta material är vårt enda register över vad som hände för 4,567 miljarder år sedan i solnebulosan, " sa Venkat Manga, en medförfattare till artikeln och en biträdande forskningsprofessor vid UArizona Department of Materials Science and Engineering. "Att kunna titta på mikrostrukturen i vårt prov i olika skalor, ner till längden av enskilda atomer, är som att öppna en bok."
Författarna sa att studier som denna kan föra planetforskare ett steg närmare "en storslagen modell av planetbildning" - en detaljerad förståelse av materialet som rör sig runt skivan, vad den består av, och hur det ger upphov till solen och planeterna.
Kraftfulla radioteleskop som Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, eller ALMA, i Chile tillåter nu astronomer att se stjärnsystem när de utvecklas, sa Zega.
"Kanske vid något tillfälle kan vi titta in på utvecklande diskar, och sedan kan vi verkligen jämföra våra data mellan discipliner och börja svara på några av de där riktigt stora frågorna, " Sade Zega. "Formas dessa dammpartiklar där vi tror att de gjorde i vårt eget solsystem? Är de gemensamma för alla stjärnsystem? Bör vi förvänta oss mönstret vi ser i vårt solsystem – steniga planeter nära den centrala stjärnan och gasjättar längre ut – i alla system?
"Det är en riktigt intressant tid att vara vetenskapsman när dessa fält utvecklas så snabbt, ", tillade han. "Och det är fantastiskt att vara på en institution där forskare kan bilda transdisciplinära samarbeten mellan ledande astronomi, planetära och materialvetenskapliga institutioner vid samma universitet."
