Låt oss börja från början. Innan människor, före jorden, innan någon av planeterna existerade, det fanns babyplaneter – planetesimaler. Sammansmält från damm som exploderat utåt av solnebulosan, dessa materialklumpar var bara några kilometer i diameter. Snart, de aggregerade alltför på grund av gravitationen för att bilda stenplaneterna i solsystemets innersta del, lämnar de tidiga detaljerna om dessa planetesimals till fantasin.

Deras mystiska identitet kompliceras av det faktum att Merkurius, Venus, Jorden, och Mars är alla olika i kemisk sammansättning. Som en mixer som blandar ingredienserna i en tårta, Jorden har genomgått en omarrangering, till stor del på grund av vulkanism och plattektonik som flyttar element in i och ut ur det inre, som ytterligare döljer information om vad de ursprungliga ingredienserna kan ha varit, och deras proportioner.

Nu, ett par MIT-forskare vid Department of Earth, Atmospheric and Planetary Sciences (EAPS) har avslöjat en del nyckelinformation om dessa planetesimaler genom att i ett laboratorium återskapa den första magman som dessa objekt kan ha producerat i solsystemets barndom. Och det visar sig, det finns fysiska bevis på dessa magma i meteoriter, lägga till validering till sina påståenden.

"Denna bildning och differentiering av dessa planetesimaler är ett slags viktigt steg i hur du gör de inre jordiska planeterna, och vi har verkligen precis börjat låsa upp den historien, " säger RR Schrock professor i geologi Timothy Grove, senior författare på studien, publicerad i en trilogi av artiklar i tidskrifterna Geochimica och Cosmochimica Acta och Meteoritik och planetvetenskap .

Meteoriteasers

Små bitar av bevis på solsystemets planetariska byggstenar finns till denna dag i meteoriter, som alla passar in i två huvudkategorier. Kondriter är gjorda av originalmaterial och är den vanligaste typen. Akkondriter kommer från föräldrakroppar som har upplevt någon form av modifiering - och att förstå dessa modifikationer hjälper till att förklara processerna som bildar och växer planeter.

Ureiliter, den näst vanligaste gruppen av akondriter, var det ursprungliga föremålet för denna undersökning. Men snabbt, forskarna insåg att deras resultat också kunde tillämpas på andra ställen.

Tack vare en serie experiment utformade för att korrigera fel i tidigare tekniker, Grove och huvudförfattare Max Collinet Ph.D. '19 avslöjade en ny vinkel. "Vi kom verkligen från att vilja förstå något om en liten grupp meteoriter som kan verka obskyrt för många människor, " säger Collinet om sin doktorandforskning. "Men när vi gjorde de experimenten, vi insåg att smältorna vi producerade har många konsekvenser för många andra planetariska byggstenar."

Detta inkluderar ursprunget till den vanligaste typen av akondritiska meteoriter, kallade eukriter, antas komma från Vesta, den näst största kroppen i asteroidbältet. Detta berodde på att 1970 en MIT-forskare upptäckte att Vesta var gjord av samma typ av basaltisk sten. "Vi hade alla dessa basaltiska lavor från Vestas yta, och i princip alla antog att det är vad som händer när man smälter dessa kroppar, " förklarar Grove. Men nyligen, andra studier har vänt denna hypotes, lämnar frågan:Vilka var de tidigaste smältorna som bildades i planetesimals?

Att göra små planeter

"Vad vi insåg är att vi egentligen inte alls visste vad sammansättningen var av de första magma som producerades i någon planetesimal, än mindre den som vi var intresserade av – ureiliternas moderkropp, säger Collinet om resultaten från deras nya experimentella metoder.

I tidigare studier, genom att använda ett typiskt experimentellt "öppet system" som upprätthöll de låga syrenivåerna som förväntas inuti en planetesimal, mycket av de mycket reaktiva alkaliska elementen - natrium och kalium - kunde fly.

Grove och Collinet var tvungna att arbeta tillsammans för att utföra experimenten med en unik enhet vid MIT som höll systemet "stängt" och behöll alla alkalier. De laddade en liten metallkapsel på några millimeter i kvadrat med samma kemiska grundämnen som kan finnas i en planetesimal och utsatte den för förhållanden med låg syrehalt, bergsmältningstemperaturer, och förväntade tryck i de relativt små kropparnas interiörer. När dessa villkor väl var uppfyllda, provets magma frystes – som registrerats i deras metoder – genom att "slå" maskinen med en skiftnyckel för att säkerställa att deras kapsel hoppade fri, sjunker snabbt till rumstemperatur.

Analyserar magman, kylt i ett glas, var knepigt. Eftersom de letade efter början av smältning, poolerna inuti proverna var ganska små. Det krävdes några justeringar av deras procedurer för att få alla de små poolerna att kombineras i en större ficka. När de väl kunde mäta proverna, paret var chockade över konsekvenserna av vad de hittade.

"Vi hade ingen aning om att vi skulle producera det här. Det var helt oväntat, " Grove förundras. "Denna grej" var en alkalirik granit - en ljus, kiselrik komposition som du kanske ser på en köksbänk, på den motsatta änden av bergartspektrat från de alkalifattiga, kiseldioxidfattiga basalter på Vesta – som de som bildas av lava på Hawaii.

"Collinet och Grove visar att tidigare idéer om sammansättningen av de tidigaste smälter i vårt solsystem, ~4,6 miljarder år sedan, kan ha varit felaktigt eftersom registreringen av tidiga processer har skymts av geologisk aktivitet på senare tid, " säger Cyrena Goodrich, en senior forskare vid Lunar and Planetary Institute i Universities Space Research Association, som inte var involverad i forskningen. "Dessa resultat kommer att tillämpas på ett brett spektrum av ämnen inom geologi och planetariska vetenskaper och kommer att avsevärt påverka framtida arbete."

Dessa överraskande resultat överensstämde nästan med smältor som uppmätts i många naturliga meteoritprover. Dessutom, paret hade lärt sig något om de mystiska alkalierna som saknades från stenplaneterna och skillnaderna mellan jorden, Mars, Venus och Merkurius.

Att tänka om början

Tidigare, det antogs att olikheter mellan de jordiska planeterna uppstod under den initiala spridningen av element i solnebulosan och relaterade till hur dessa element kondenserade från gaser till fasta ämnen.

"Nu har vi ett annat sätt, säger Grove. Med smältorna som är värd för många alkalier, det skulle bara krävas någon metod för att avlägsna smältan för att lämna kvarvarande planetesimaler utarmade på kalium och natrium.

Nästa steg blir att bestämma hur dessa smältor kan utvinnas från planetesimals inre, med tanke på att drivkrafterna för magmarörelser på jorden sannolikt inte skulle vara desamma i dessa planetkroppar. Faktiskt, migration av element i tidiga planeter, såsom bildandet av metallkärnor, är ett brett område av okänt som forskarparet är ivriga att fortsätta utforska.

På grund av oförmågan att observera vad som faktiskt hände i etableringen av solsystemet, överraskningarna som avslöjas av denna studie är ett viktigt steg. "Vi ger nya ledtrådar till hur nebulosan skapade dessa kroppar, sammanfattar Collinet, som nu är postdoc i Tyskland, arbetar med att förstå lagren under Mars yttre skorpa. Från en liten kapsel i ett labb på MIT campus eller en mikroskopisk droppe av smälta i en meteorit, det är möjligt att avslöja insikt i födelsen av en stor planet.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.