En elektronmikroskopbild av en kiselkarbid i mikronstorlek, Sic, stjärnstoftkorn (nedre till höger) utvunnet från en primitiv meteorit. Stjärnstoftkornet är belagt med meteoritiska organiska ämnen på ytan (mörk gunk på kornens vänstra sida). Sådana korn bildades för mer än 4,6 miljarder år sedan i de kylande vindarna som förlorades från ytan av kolrika stjärnor med låg massa nära slutet av deras liv, Typisk här (övre till vänster) av en Hubble Space Telescope-bild av den asymptotiska jättegrenstjärnan U Camelopardalis. Laboratorieanalys av sådana små dammkorn ger unik information om kärnreaktioner i stjärnor med låg massa och deras utveckling. (1 um är en miljondels meter.). Kredit:NASA, Nan Liu och Andrew Davis
Vissa orörda meteoriter innehåller ett register över de ursprungliga byggstenarna i solsystemet, inklusive korn som bildades i gamla stjärnor som dog innan solen bildades. En av de största utmaningarna med att studera dessa försolära korn är att bestämma vilken typ av stjärna varje korn kommer ifrån.
Nan Liu, forskningsassistent professor i fysik i konst och vetenskap vid Washington University i St. Louis, är första författare till en ny studie i Astrofysiska tidskriftsbrev som analyserar en mångsidig uppsättning försolära korn med målet att förverkliga deras sanna stjärnursprung.
Liu och hennes team använde en toppmodern masspektrometer som heter NanoSIMS för att mäta isotoper av en uppsättning element inklusive N- och Mg-Al-isotoperna i presolar kiselkarbid (SiC) korn. Genom att förfina sina analytiska protokoll och även använda en ny generation plasmajonkälla, forskarna kunde visualisera sina prover med bättre rumslig upplösning än vad som kunde uppnås med tidigare studier.
"Försolära korn har varit inbäddade i meteoriter i 4,6 miljarder år och är ibland belagda med solmaterial på ytan, " sa Liu. "Tack vare den förbättrade rumsliga upplösningen, vårt team kunde se Al-kontamination fäst på ytan av ett korn och erhålla sanna stjärnsignaturer genom att endast inkludera signaler från kärnan av korn under datareduktionen."
Forskarna sputterde kornen med hjälp av en jonstråle under längre perioder för att exponera rent, inre kornytor för deras isotopanalyser. Forskarna fann att N-isotopförhållandena för samma korn ökade kraftigt efter att kornet utsatts för förlängd jonförstoftning.
Isotopförhållanden kan sällan mätas för stjärnor, men C- och N-isotoper är två undantag. De nya C- och N-isotopdata för de presolära kornen som rapporterats i denna studie kopplar kornen direkt till olika typer av kolstjärnor baserat på dessa stjärnors observerade isotopförhållanden.
NanoSIMS-bilder av ett SiC-korn. Den övre panelen visar bilder tagna med en rumslig upplösning på ~1 μm, den typiska upplösningen av tidigare analyser. Den nedre panelen visar samma korns jonbilder tagna med en rumslig upplösning på 100 nm, upplösningen som uppnåtts i denna studie. Kredit:Nan Liu
"De nya isotopdata som erhållits i denna studie är spännande för stjärnfysiker och kärnastrofysiker som jag, sa Maurizio Busso, en medförfattare till studien som är baserad vid University of Perugia, i Italien. "Verkligen, de "märkliga" N-isotopförhållandena för SiC-korn från före sol har varit en anmärkningsvärd källa till oro under de senaste två decennierna. De nya uppgifterna förklarar skillnaden mellan vad som ursprungligen fanns i de presolära stjärndammskornen och vad som senare fästes, på så sätt lösa ett långvarigt pussel i samhället."
Studien inkluderar också en betydande utforskning av radioaktiv isotop aluminium-26 ( 26 Al), en viktig värmekälla under utvecklingen av unga planetkroppar i det tidiga solsystemet och även andra extrasolsystem. Forskarna härledde den initiala närvaron av stora mängder 26 Al i alla uppmätta korn, som förutspått av nuvarande modeller. Studien avgjorde hur mycket 26 Al producerades av "förälderstjärnorna" av kornen de mätte. Liu och hennes medarbetare drog slutsatsen att stjärnmodell förutsägelser för 26 Al är för höga med minst en faktor två, jämfört med spannmålsdata.
Datamodellens offset pekar sannolikt på osäkerheter i relevanta kärnreaktionshastigheter, Liu noterade, och kommer att motivera kärnfysiker att göra bättre mätningar av dessa reaktionshastigheter i framtiden.
Teamets resultat kopplar några av de försolära kornen i denna samling till dåligt kända kolstjärnor med speciella kemiska sammansättningar.
Kornens isotopdata pekar på H-bränningsprocesser som sker i sådana kolstjärnor vid högre temperaturer än förväntat. Denna information kommer att hjälpa astrofysiker att konstruera stjärnmodeller för att bättre förstå utvecklingen av dessa stjärnobjekt.
"När vi lär oss mer om källorna till damm, vi kan få ytterligare kunskap om universums historia och hur olika stjärnobjekt inom det utvecklas, " sa Liu.
