Eld eller is vilket var början till vårt solsystem?

 

Bild https://news.yale.edu Konstnärs koncept som visar en mycket ung stjärna omgiven av en skiva av gas och damm. Det råmaterial som man tror att stenplaneter som jorden bildas av. Källa: NASA/JPL

När fasta kroppar började byggas upp i solsystemet såsom protoplaneter (planet under bildningsprocess) , månar och planeter fanns det i princip ett val mellan två ingredienser. Det fanns värmesmidda kondruler, små, millimeterstora runda droppliknande kulor som finns inuti en typ av stenmeteoriter som kallas kondriter utöver det fanns även Matrix, ett finkornigt, kallt damm laddat med fruset vatten och organiska molekyler. 

I en ny studie från Yale university ger forskarna det första geokemiska beviset för att det redan inom de första miljonerna åren efter att solsystemet började bildas så prioriterades kondruler framför matris i uppbyggnaden. Tidigare forskning hade bara kunnat dokumentera denna sorteringsprocess i objekt som bildades 2 till 4 miljoner år efter solsystemets ursprung.

"Vårt arbete visar att denna process var anmärkningsvärt selektiv från allra första början," beskriver Damanveer Grewal, assisterande professor of Earth and planetary sciences in Yale’s Faculty of Arts and Science och huvudförfattare till studien (se nedan). "De tidigaste objekten i det yttre solsystemet byggdes upp mellan 83 % till 92 % av kondruler med mycket lite av det isiga flyktiga stoft som dominerar senare bildade objekt."  Kondruler finns inuti kondriter de mest primitiva meteoriterna i geologiska samlingar. "Om du håller dem i din hand förstå då att de började som en del av en process som började för miljarder år sedan," påtalar Grewal.

Det har varit känt under en tid att bland kolhaltiga kondriter (primitiva, steniga meteoriter som innehåller organiska föreningar och vatten bland sina silikatmineraler) från det yttre av solsystemet, innehöll kondriter som bildats tidigare och som innehöll en högre andel kondruler och en lägre andel matris. Detta antyder att i områden där de första fasta objekten, kallade planetesimaler, bildades, höll isigt damm redan på att att utgå till förmån för värmesmidda kondruler.

Men inga bevarade, odifferentierade objekt finns kvar från solsystemets första miljon år för att bekräfta det ursprungliga kondrul-till-matris-förhållandet.

Grewals lösning blev att leta efter kemiska spårämnen i järnmeteoriter från det yttre solsystemet som skulle peka på en tidigare era. Moderkropparna som dessa meteoriter provtagits ur hade samlat på sig så mycket radioaktivt aluminium-26 vilket resulterat i att de smälte ner helt och förstörde alla fysiska spår av vad de ursprungligen bestod av. Ändå gjorde ett par oberoende kemiska spårämnen det möjligt för forskarna att rekonstruera den ursprungliga sammansättningen.

Båda spårämnena är kopplade till matris: svavel, som finns i koncentrerad form i matris och järnets oxidationstillstånd som visar hur mycket fruset vatten och oxiderat damm den ursprungliga kroppen innehöll.

Med hjälp av de spårämnena beräknade forskarna matrisnivåer till endast 8  till 17 % i de ursprungliga kropparna som provtagits i järnmeteoriter vilket är lägre än vad som hittats i några kända kondriter. "Båda spårämnena berättar oberoende av varandra samma historia: dessa tidiga planetesimaler (byggstenar till planeter) var anmärkningsvärt matrisfattiga," beskriver Grewal. " Den konvergensen är det som gör resultatet robust."

Resultatet, hjälper också till att förklara varför äldre kondruler är sällsynta i meteoritregistret; De införlivades i kroppar som senare smälte vilket raderade de fysiska bevisen.

"Dessa allestädes närvarande små stenpärlor är de grundläggande byggstenarna som planeterna själva till slut byggdes upp av," beskriver Grewal. "Nu vet vi att de redan sorterades och införlivades i den första generationen av fasta kroppar från allra första början."

Studien publicerades den 18 september i tidskriften Nature Astronomy. 

Medförfattare  var Zhongtian Zhang från Princeton University och Joanna Drążkowska från Max Planck-institutet för solsystemforskning i Tyskland.

Finansieringen av forskningen kom från Yale University.

Härifrån kom materian som byggde upp jorden

 

Bild   ETH Zürich (Eidgenössische Technische Hochschule Zürich) son visar ungefär hur jordens bildning i vårt solsystem kan ha sett ut. Uppkomsten av två planeter (ljusbruna prickar) i en protoplanetär skiva runt den unga stjärnan WISPIT 2. (Bild: ESO / C. Lawlor, R. F. van Capelleveen m.fl. / Creative Commons BY

Forskare har länge debatterat varifrån materialet som bildade vår jord kom. Trots dess läge i det inre solsystemet anser de det sannolikt att 6–40 procent av detta material måste ha kommit från det yttre solsystemet. Det vill säga bortom Jupiters bana.

Under lång tid ansågs material från det yttre solsystemet nödvändigt för att  flyktiga komponenter som vatten skulle nå jorden. Följaktligen måste det ha skett ett utbyte av material mellan det yttre och inre solsystemet under jordens bildande. Men är det verkligen sant? Planetforskarna Paolo Sossi och Dan Bower från ETH Zürich jämförde befintlig data om isotopförhållandena för ett brett spektrum av meteoriter, inklusive de från Mars och asteroiden Vesta med jordens. Isotoper är syskonatomer av samma grundämne (samma antal protoner men olika antal neutroner) som har olika massa.

Forskarna analyserade dessa data på ett nytt sätt och kom fram till en överraskande slutsats: materialet som utgör jorden kommer helt från solsystemets inre region.

Material från det yttre solsystemet, däremot, står sannolikt för mindre än två procent av jordens massa, eller ens ingenting alls. Den motsvarande studien har nyligen publicerats i tidskriften Nature Astronomy.

"Våra beräkningar gör det tydligt jordens byggmaterial kommer från en enda materialreservoar,"beskriver Sossi. Hans kollega Bower tillägger: "Vi blev verkligen förvånade över att jorden helt består av material från det inre solsystemet skiljt från någon kombination av befintliga meteoriter."

För sin studie använde ETH-forskarna befintliga data om tio olika isotopiska system från meteoriter och analyserade dem med en specialiserad statistisk metod. Tidigare studier har mestadels betraktat endast två isotopsystem.

"Våra studier är faktiskt datavetenskapliga experiment," beskriver Sossi. 'Vi utförde statistiska beräkningar som sällan används inom geokemi trots att de är ett kraftfullt verktyg. Men varför finns det två distinkta materialreservoarer i vårt solsystem? 

Forskare antar att vårt solsystem delades upp i två reservoarer under dess bildning på grund av Jupiters snabba tillväxt och storlek. Gasjättens gravitation rev upp en lucka i den protoplanetära skivan som kretsar kring den unga solen. Dessa skivor är ringformade och består av gas och damm; De är planeternas födelseplats. Jupiter förhindrade material från det yttre solsystemet från att komma in i den inre regionen. Men i vilken utsträckning denna barriär var genomsläpplig var fortfarande oklart fram till nu.

I sin nya analys visar de två ETH-forskarna att nästan inget material från bortom Jupiter flödade mot jorden. "Våra beräkningar är mycket robusta och bygger enbart på själva datan inte på fysiska antaganden eftersom dessa ännu inte är helt förstådda," betonar Bower. Analysen visar också att jordens materialsammansättning liknar den hos Vesta och Mars.Forskarna misstänker  att Venus och Merkurius ligger på samma linje. "Baserat på vår analys kan vi teoretiskt förutsäga sammansättningen av dessa två planeter," beskriver Paolo Sossi. Han kan dock inte verifiera detta analytiskt eftersom inga stenprover från Merkurius och Venus, som är de två innersta planeterna i solsystemet, för närvarande finns tillgängliga för forskarna.