I det tidiga solsystemet, en "protoplanetarisk skiva" av damm och gas roterade runt solen och smälte så småningom samman till de planeter vi känner idag.

En ny analys av forntida meteoriter av forskare vid MIT och på andra håll tyder på att det fanns en mystisk lucka i denna skiva för cirka 4,567 miljarder år sedan, nära platsen där asteroidbältet finns idag.

Teamets resultat, dyker upp idag i Vetenskapens framsteg , ge direkta bevis för denna lucka.

"Under det senaste decenniet, observationer har visat att hålrum, luckor, och ringar är vanliga i skivor runt andra unga stjärnor, säger Benjamin Weiss, professor i planetvetenskap vid MIT:s Department of Earth, Atmosfärisk, och Planetary Sciences (EAPS). "Dessa är viktiga men dåligt förstådda signaturer av de fysiska processer genom vilka gas och damm omvandlas till den unga solen och planeterna."

Likaså förblir orsaken till en sådan lucka i vårt eget solsystem ett mysterium. En möjlighet är att Jupiter kan ha varit en påverkan. När gasjätten tog form, dess enorma gravitationskraft kunde ha drivit gas och damm mot utkanten, lämnar efter sig en lucka i framkallningsskivan.

En annan förklaring kan ha att göra med vindar som kommer från skivans yta. Tidiga planetsystem styrs av starka magnetfält. När dessa fält interagerar med en roterande skiva av gas och damm, de kan producera vindar som är kraftfulla nog att blåsa ut material, lämnar en lucka i skivan.

Oavsett dess ursprung, en lucka i det tidiga solsystemet fungerade troligen som en kosmisk gräns, förhindra att material på båda sidor om det interagerar. Denna fysiska separation kunde ha format sammansättningen av solsystemets planeter. Till exempel, på insidan av springan, gas och stoft smälte samman som jordiska planeter, inklusive jorden och Mars, medan gas och damm förflyttades till den bortre sidan av gapet som bildas i isområden, som Jupiter och dess närliggande gasjättar.

"Det är ganska svårt att ta sig över detta gap, och en planet skulle behöva mycket externt vridmoment och momentum, " säger huvudförfattaren och EAPS-studenten Cauê Borlina. "Så, detta ger bevis på att bildningen av våra planeter var begränsad till specifika regioner i det tidiga solsystemet."

Weiss och Borlinas medförfattare inkluderar Eduardo Lima, Nilanjan Chatterjee, och Elias Mansbach från MIT, James Bryson vid Oxford University, och Xue-Ning Bai från Tsinghua University.

En splittring i rymden

Under det senaste decenniet, forskare har observerat en märklig splittring i sammansättningen av meteoriter som har tagit sig till jorden. Dessa rymdstenar bildades ursprungligen vid olika tidpunkter och platser när solsystemet tog form. De som har analyserats uppvisar en av två isotopkombinationer. Sällan har meteoriter visat sig uppvisa båda - en gåta som kallas "isotop dikotomi".

Forskare har föreslagit att denna dikotomi kan vara resultatet av ett gap i det tidiga solsystemets skiva, men en sådan lucka har inte direkt bekräftats.

Weiss grupp analyserar meteoriter för tecken på antika magnetfält. När ett ungt planetsystem tar form, den bär med sig ett magnetfält, vars styrka och riktning kan ändras beroende på olika processer inom den utvecklande skivan. När forntida damm samlades till korn som kallas kondruler, elektroner i kondruler i linje med magnetfältet där de bildades.

Kondruler kan vara mindre än diametern på ett människohår, och finns i meteoriter idag. Weiss grupp är specialiserad på att mäta kondruler för att identifiera de antika magnetfälten i vilka de ursprungligen bildades.

I tidigare arbeten, gruppen analyserade prover från en av de två isotopgrupperna av meteoriter, känd som de icke-kolhaltiga meteoriterna. Dessa stenar tros ha sitt ursprung i en "reservoar, " eller region av det tidiga solsystemet, relativt nära solen. Weiss grupp identifierade tidigare det gamla magnetfältet i prover från denna närliggande region.

En meteoritfelmatchning

I deras nya studie, forskarna undrade om magnetfältet skulle vara detsamma i den andra isotopen, "kolhaltig" grupp av meteoriter, som, att döma av deras isotopsammansättning, tros ha sitt ursprung längre ut i solsystemet.

De analyserade kondruler, var och en mäter cirka 100 mikron, från två kolhaltiga meteoriter som upptäcktes i Antarktis. Genom att använda den supraledande kvantinterferensanordningen, eller SQUID, ett högprecisionsmikroskop i Weiss labb, teamet bestämde varje chondrules original, forntida magnetfält.

Förvånande, de fann att deras fältstyrka var starkare än den för de närmare kolhaltiga meteoriterna som de tidigare mätt. När unga planetsystem tar form, forskare förväntar sig att styrkan på magnetfältet bör avta med avståndet från solen.

I kontrast, Borlina och hans kollegor fann att de långt borta kondrulerna hade ett starkare magnetfält, på cirka 100 mikroteslas, jämfört med ett fält på 50 mikroteslas i de närmare kondrulerna. Som referens, jordens magnetfält är idag runt 50 mikroteslas.

Ett planetsystems magnetfält är ett mått på dess ackretionshastighet, eller mängden gas och damm som den kan dra in i sitt centrum med tiden. Baserat på de kolhaltiga kondrulernas magnetfält, solsystemets yttre region måste ha samlat på sig mycket mer massa än den inre regionen.

Använda modeller för att simulera olika scenarier, teamet drog slutsatsen att den mest sannolika förklaringen till bristen på överensstämmelse i tillväxthastigheter är förekomsten av ett gap mellan de inre och yttre regionerna, vilket kunde ha minskat mängden gas och damm som strömmar mot solen från de yttre delarna.

"Gap är vanliga i protoplanetära system, och vi visar nu att vi hade en i vårt eget solsystem, Borlina säger. "Detta ger svaret på denna konstiga dikotomi vi ser i meteoriter, och ger bevis för att luckor påverkar planeternas sammansättning."