För cirka 4,6 miljarder år sedan, ett enormt moln av vätgas och damm kollapsade under sin egen vikt, så småningom plattar till en skiva som kallas solnebula. Det mesta av detta interstellära material dras ihop i skivans centrum för att bilda solen, och en del av solnebulans återstående gas och damm som kondenseras för att bilda planeterna och resten av vårt solsystem.

Nu har forskare från MIT och deras kollegor uppskattat soltåkens livstid - ett viktigt skede under vilket mycket av solsystemets utveckling tog form.

Denna nya uppskattning antyder att gasjättarna Jupiter och Saturnus måste ha bildats inom de första 4 miljoner åren efter solsystemets bildning. Vidare, de måste ha slutfört gasdriven migration av sina orbitalpositioner vid den här tiden.

"Så mycket händer i början av solsystemets historia, "säger Benjamin Weiss, professor i jorden, atmosfärisk, och planetvetenskap vid MIT. "Naturligtvis utvecklas planeterna efter det, men solsystemets storskaliga struktur etablerades i huvudsak under de första 4 miljoner åren. "

Weiss och MIT postdoc Huapei Wang, den första författaren till denna studie, rapportera sina resultat idag i tidningen Vetenskap . Deras medförfattare är Brynna Downey, Clement Suavet, och Roger Fu från MIT; Xue-Ning Bai från Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics; Jun Wang och Jiajun Wang från Brookhaven National Laboratory; och Maria Zucolotto från Nationalmuseet i Rio de Janeiro.

Spektakulära inspelare

Genom att studera de magnetiska orienteringarna i orörda prover av gamla meteoriter som bildades för 4.653 miljarder år sedan, laget bestämde att soltågen varade i cirka 3 till 4 miljoner år. Detta är en mer exakt siffra än tidigare uppskattningar, som placerade solnebulans livstid på någonstans mellan 1 och 10 miljoner år.

Teamet kom till sin slutsats efter noggrann analys av ilskan, som är några av de äldsta och mest orörda av planetariska stenar. Angrit är vulkaniska stenar, många av dem tros ha brutit ut på ytan av asteroider mycket tidigt i solsystemets historia och sedan snabbt svalnat, frysa sina ursprungliga egenskaper - inklusive deras sammansättning och paleomagnetiska signaler - på plats.

Forskare betraktar ilskan som exceptionella inspelare av det tidiga solsystemet, särskilt eftersom bergarterna också innehåller stora mängder uran, som de kan använda för att exakt bestämma deras ålder.

"Angriter är verkligen spektakulära, "Weiss säger." Många av dem ser ut som det som kan komma att bryta ut på Hawaii, men de svalnade på en mycket tidig planetesimal. "

Weiss och hans kollegor analyserade fyra ånger som föll till jorden på olika platser och tider.

"Ett föll i Argentina, och upptäcktes när en lantarbetare bearbetade sin åker, "Weiss säger." Det såg ut som en indisk artefakt eller skål, och markägaren höll det vid det här huset i cirka 20 år, tills han slutligen bestämde sig för att analysera det, och det visade sig vara en riktigt sällsynt meteorit. "

De tre andra meteoriterna upptäcktes i Brasilien, Antarktis, och Saharaöknen. Alla fyra meteoriterna var anmärkningsvärt välbevarade, har inte genomgått någon ytterligare uppvärmning eller större kompositionsförändringar sedan de ursprungligen bildades.

Mäter små kompasser

Teamet fick prover från alla fyra meteoriterna. Genom att mäta förhållandet mellan uran och bly i varje prov, tidigare studier hade fastställt att de tre äldsta bildades för cirka 4.653 miljarder år sedan. Forskarna mätte sedan stenarnas kvarvarande magnetisering med en precisionsmagnetometer i MIT Paleomagnetism Laboratory.

"Elektroner är små kompassnålar, och om du placerar ett gäng av dem i en sten, berget blir magnetiserat, "Weiss förklarar." När de är i linje, som kan hända när en sten svalnar i närvaro av ett magnetfält, då stannar de så. Det är vad vi använder som register över gamla magnetfält. "

När de placerade ilskorna i magnetometern, forskarna observerade mycket lite kvarvarande magnetisering, indikerar att det var mycket lite magnetfält när angriterna bildades.

Teamet gick ett steg längre och försökte rekonstruera magnetfältet som skulle ha producerat klippornas inriktning, eller brist på sådan. Att göra så, de värmde upp proverna, kylde sedan ner dem igen i ett laboratoriekontrollerat magnetfält.

"Vi kan fortsätta sänka labfältet och kan reproducera det som finns i provet, "Weiss säger." Vi finner att endast mycket svaga laboratoriefält är tillåtna, med tanke på hur liten magnetiserad rest som finns i dessa tre vredar. "

Specifikt, laget fann att vredens kvarvarande magnetisering kunde ha producerats av ett extremt svagt magnetfält på högst 0,6 mikroteslas, 4,653 miljarder år sedan, eller, cirka 4 miljoner år efter solsystemets start.

Under 2014, Weiss grupp analyserade andra gamla meteoriter som bildades inom solsystemets första 2 till 3 miljoner år, och fann tecken på ett magnetfält som var cirka 10-100 gånger starkare-cirka 5-50 mikrotesla.

"Det förutspås att när magnetfältet faller med en faktor 10-100 i det inre solsystemet, som vi nu har visat, soltåken försvinner riktigt snabbt, inom 100, 000 år, "Weiss säger." Så även om soltågen inte hade försvunnit med 4 miljoner år, det var i princip på väg ut. "

Planeterna ligger i linje

Forskarnas nya uppskattning är mycket mer exakt än tidigare uppskattningar, som baserades på observationer av avlägsna stjärnor.

"Vad mer, vredens paleomagnetism begränsar livstiden för vår egen solnebula, medan astronomiska observationer uppenbarligen mäter andra avlägsna solsystem, "Tillägger Wang." Eftersom soltågen livslängd kritiskt påverkar de sista positionerna för Jupiter och Saturnus, det påverkar också den senare bildandet av jorden, vårt hem, liksom bildandet av andra markbundna planeter. "

Nu när forskarna har en bättre uppfattning om hur länge soltågen varade, de kan också begränsa hur jätteplaneter som Jupiter och Saturnus bildades. Jätteplaneter är mestadels gjorda av gas och is, och det finns två rådande hypoteser för hur allt detta material kom ihop som en planet. En antyder att jätteplaneter bildades genom gravitationskollaps av kondenserande gas, som solen gjorde. Den andra föreslår att de uppstod i en tvåstegsprocess som kallas core accretion, där bitar av material krossades och smältes samman för att bilda större stenig, isiga kroppar. När dessa kroppar väl var massiva nog, de kunde ha skapat en gravitationskraft som lockade stora mängder gas för att slutligen bilda en jätteplanet.

Enligt tidigare förutsägelser, jätteplaneter som bildas genom gravitationskollaps av gas bör slutföra sin allmänna bildning inom 100, 000 år. Kärntillväxt, i kontrast, antas vanligtvis ta mycket längre tid, i storleksordningen 1 till flera miljoner år. Weiss säger att om soltåken fanns runt under de första 4 miljoner åren av solsystembildning, detta skulle ge stöd för det huvudsakliga ackresionsscenariot, vilket i allmänhet gynnas bland forskare.

"Gasjättarna måste ha bildats fyra miljoner år efter solsystemets bildning, "Weiss säger." Planeter rörde sig överallt, in och ut över stora avstånd, och all denna rörelse tros ha drivits av gravitationskrafter från gasen. Vi säger att allt detta hände under de första 4 miljoner åren. "