Innan jorden och andra planeter bildades var den unga solen fortfarande omgiven av kosmisk gas och damm. Under årtusendena bildades stenfragment av olika storlekar från stoftet. Många av dessa blev byggstenar för de senare planeterna. Andra blev inte en del av en planet och kretsar fortfarande runt solen idag, till exempel som asteroider i asteroidbältet.

Forskare från ETH Zürich och National Center of Competence in Research (NCCR) PlanetS analyserade i samarbete med ett internationellt team järnprover från kärnorna av sådana asteroider som landade på jorden som meteoriter. Genom att göra det nyssade de upp en del av sin tidiga historia under den tid då planeter bildades. Deras resultat publicerades i tidskriften Nature Astronomy .

Vittnen från det tidiga solsystemet

"Tidigare vetenskapliga studier visade att asteroider i solsystemet har förblivit relativt oförändrade sedan de bildades för miljarder år sedan", förklarar Alison Hunt, huvudförfattare och forskare vid ETH Zürich och NCCR PlanetS. "De är därför ett arkiv där förhållandena för det tidiga solsystemet är bevarade", säger Hunt.

Men för att låsa upp detta arkiv var forskarna tvungna att grundligt förbereda och undersöka det utomjordiska materialet. Teamet tog prover från 18 olika järnmeteoriter, som en gång var en del av asteroidernas metalliska kärnor. För att genomföra sin analys var de tvungna att lösa upp proverna för att kunna isolera grundämnena Palladium, Silver och Platina för sin detaljerade analys. Med hjälp av en masspektrometer mätte de mängder av olika isotoper av dessa grundämnen. Isotoper är distinkta atomer av givna grundämnen, i det här fallet Palladium, Silver och Platina, som alla delar samma antal protoner i sina kärnor men varierar i antalet neutroner.

Under de första miljoner åren av vårt solsystem värmdes de metalliska asteroidkärnorna upp av radioaktivt sönderfall av isotoper. När de började svalna började en specifik silverisotop som producerades av radioaktivt sönderfall att ackumuleras. Genom att mäta dagens silverisotopförhållanden inom järnmeteoriterna kunde forskarna fastställa både när och hur snabbt asteroidkärnorna hade svalnat.

Resultaten visade att nedkylningen var snabb och troligen inträffade på grund av allvarliga kollisioner med andra kroppar, som bröt av asteroidernas isolerande steniga mantel och exponerade deras metallkärnor för rymdens kyla. Även om den snabba kylningen hade indikerats av tidigare studier baserade på silverisotopmätningar, hade tidpunkten förblivit oklar.

"Våra ytterligare mätningar av platinaisotopförekomster gjorde det möjligt för oss att korrigera Silverisotopmätningarna för förvrängningar orsakade av kosmisk bestrålning av proverna i rymden. Så vi kunde datera tidpunkten för kollisionerna mer exakt än någonsin tidigare", rapporterar Hunt. "Och till vår förvåning hade alla asteroida kärnor som vi undersökte exponerats nästan samtidigt, inom en tidsram på 7,8 till 11,7 miljoner år efter bildandet av solsystemet", säger forskaren.

De nästan samtidiga kollisioner av olika asteroider indikerade för teamet att denna period måste ha varit en mycket orolig fas i solsystemet. "Everything seems to have been smashing together at that time," Hunt says. "And we wanted to know why," she adds.

From the laboratory to the solar nebula

The team considered different causes by combining their results with those from the latest, most sophisticated computer simulations of the solar system development. Together, these sources could narrow down the possible explanations.

"The theory that best explained this energetic early phase of the solar system indicated that it was caused primarily by the dissipation of the so-called solar nebula," study co-author, NCCR PlanetS member and Professor of Cosmochemistry at the ETH Zurich, Maria Schönbächler explains. "This solar nebula is the remainder of gas that was left over from the cosmic cloud out of which the Sun was born. For a few million years, it still orbited the young Sun until it was blown away by solar winds and radiation," Schönbächler says

While the nebula was still around, it slowed down the objects orbiting the sun in it—similar to how air resistance slows a moving car. After the nebula had disappeared, so the researchers suggest, the lack of gas drag allowed the asteroids to accelerate and collide into each other—like bumper cars that were turned to turbo-mode.

"Our work illustrates how improvements in laboratory measurement techniques allow us to infer key processes that took place in the early solar system—like the likely time by which the solar nebula had gone. Planets like the Earth were still in the process of being born at that time. Ultimately, this can help us to better understand how our own planets were born, but also give us insights into others outside our solar system," Schönbächler concludes. + Utforska vidare

Stardust from red giants