Перші планети Сонячної системи формувалися з «вогню», а не льоду

На ранніх етапах існування Сонячної системи переважав не лід, а «вогонь» – тобто розжарений кам’яний матеріал. До такого висновку дійшли дослідники на чолі з Даманвіром Ґревалом (Damanveer Grewal) з Єльського університету, проаналізувавши склад давніх залізних метеоритів. Про це йдеться в статті, опублікованій у журналі Nature Astrophysics і переказаній виданням Universe Today.

«Вогонь» проти «льоду»: хондрули та матриця

Автори роботи порівнюють дві основні компоненти раннього протопланетного диска: хондрули і матрицю. Це й є справжні «вогонь» та «лід» у їхньому спрощеному описі.

Хондрули – це міліметрові уламки твердих порід, які виникли, коли грудочки пилу в космосі зазнали екстремального нагрівання, наприклад ударних хвиль від наднових. Пил розплавився в рідкі краплі, а потім швидко охолов, утворивши безліч дрібних кам’яних «гальок».

Матриця, навпаки, складається з «пухких» пилових зерен, багатих на леткі речовини, зокрема водяний лід. Вона, з якоїсь причини, уникла тих самих потужних ударних хвиль, що перетворили частину пилу на хондрули. У багатьох метеоритах можна побачити поруч і хондрули, і матрицю.

Було відомо, що вже через 2–4 мільйони років після народження Сонячної системи хондрули відігравали провідну роль у формуванні тіл. Команда Ґревала намагалася зазирнути ще глибше – в перший мільйон років існування системи.

Чому зникли найдавніші тверді тіла

Безпосередніх зразків таких ранніх об’єктів нині не існує. Причина – радіоактивний ізотоп алюмінію-26 (Al-26). Він має період напіврозпаду лише близько 705 тисяч років і, ймовірно, потрапив у протопланетний диск від поблизу вибухлої наднової.

Коли цей ізотоп концентрувався в перших планетезималях, його радіоактивне тепло буквально розплавляло їх зсередини. Внутрішня структура перемішувалася, і первісні пропорції хондрул та матриці ставали нерозпізнаваними. Саме тому зараз немає «неторканих» тіл із першого мільйона років.

Як метеорити зберегли сліди «вогняного» минулого

Щоб обійти цю проблему, вчені звернулися до залізних метеоритів, які, ймовірно, є уламками ядер ранніх розплавлених планетезималей. На Землі їх можна досліджувати безпосередньо.

У таких метеоритах дослідників цікавили дві ознаки: вміст сірки та ступінь окиснення заліза. Ці параметри пов’язані з тим, скільки в початковому матеріалі було леткої, багатої на лід матриці, а скільки – щільних кам’яних хондрул.

Поєднавши вимірювання з моделями того, як ці значення могли змінюватися під час формування і плавлення планетезималей, команда отримала оцінку первинної частки матриці в їх складі. Вона виявилася дуже низькою – лише близько 8–17%. Тобто ранні тіла майже не містили «крижаного» компонента.

Обидва показники – і сірка, і стан заліза – вказали в одному напрямку: вже на найперших стадіях Сонячна система віддавала перевагу «вогню», тобто кам’яним кулькам-хондрулам.

Фізика протопланетного диска: чому переміг «вогонь»

Такий результат узгоджується з тим, як мав поводитися гігантський протопланетний диск навколо молодого Сонця. Його можна порівняти з величезною центрифугою, де частинки з різною густиною розподіляються по-різному.

Щільніші хондрули легше скупчувалися й осідали разом, утворюючи перші планетезималі – «зародки» майбутніх планет. Легша й «пухкіша» матриця, багата на лід, відносилася далі, в зовнішні області диска. Там вона згодом брала участь у формуванні пізніших крижаних тіл, зокрема комет.

Таким чином, за версією авторів роботи, перші тверді об’єкти в Сонячній системі були переважно кам’яними, а не крижаними. Лід та інші леткі речовини відіграли вагому роль уже на наступних етапах еволюції.

Відкриті запитання про ранню Сонячну систему

Незважаючи на загальну узгодженість із очікуваннями планетологів, у картині ранньої Сонячної системи залишається чимало прогалин. Не до кінця зрозуміло, звідки саме взявся Al-26, що розігрів перші планетезималі, та чому частина пилу зазнала миттєвого нагрівання й стала хондрулами, а інша залишилася «холодною» матрицею.

Вчені підкреслюють, що для відповіді на ці питання потрібні нові дані й нестандартні підходи. Надзвичайно мала кількість матеріалу, який зберігся з найдавніших етапів формування Сонячної системи, змушує дослідників шукати дедалі винахідливіші способи відновити її ранню історію.