science >> Wetenschap >  >> Astronomie

Onderzoek biedt aanwijzingen over de timing van de vorming van Jupiter

Chondrulen - bolvormige kralen van eerder gesmolten materiaal - gevonden in CB-chondrieten werden gevormd door botsingen met ultrahoge snelheid. Nieuw onderzoek suggereert dat de aanwezigheid van de planeet Jupiter in de buurt van de asteroïdengordel de juiste omstandigheden voor deze inslagen zou kunnen creëren. Dat helpt de timing voor de vorming en migratie van Jupiter te beperken. De studie suggereert dat Jupiter op ware grootte moet zijn geweest toen de chondrulen werden gevormd, dat was ongeveer 5 miljoen jaar nadat de eerste vaste stoffen in het zonnestelsel verschenen. Krediet:Alexander Krot, Universiteit van Hawaï Manoa

Een eigenaardige klasse meteorieten heeft wetenschappers nieuwe aanwijzingen gegeven over wanneer de planeet Jupiter vorm kreeg en door het zonnestelsel zwierf.

Wetenschappers hebben al jaren getheoretiseerd dat Jupiter waarschijnlijk niet altijd in zijn huidige baan was, dat is ongeveer vijf astronomische eenheden van de zon (de afstand van de aarde tot de zon is één astronomische eenheid). Een bewijslijn die suggereert dat een Jovische migratie betrekking heeft op de grootte van Mars. Mars is veel kleiner dan planetaire accretiemodellen voorspellen. Een verklaring daarvoor is dat Jupiter ooit veel dichter bij de zon draaide dan nu. Gedurende die tijd, het zou veel van het materiaal hebben opgeveegd dat nodig is om supergrote Mars te creëren.

Maar hoewel de meeste wetenschappers het erover eens zijn dat reuzenplaneten migreren, de timing van de vorming en migratie van Jupiter was een mysterie. Daar komen de meteorieten binnen.

Meteorieten die bekend staan ​​als CB-chondrieten werden gevormd als objecten in het vroege zonnestelsel - hoogstwaarschijnlijk in de huidige asteroïdengordel - die met ongelooflijke snelheid op elkaar botsten. Deze nieuwe studie, gepubliceerd in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang , gebruikte computersimulaties om aan te tonen dat de immense zwaartekracht van Jupiter de juiste omstandigheden zou hebben geschapen om deze hypervelocity-effecten te laten plaatsvinden. Dat suggereert op zijn beurt dat Jupiter bijna zijn huidige grootte had en ergens in de buurt van de asteroïdengordel zat toen de CB-chondrulen werden gevormd, dat was ongeveer 5 miljoen jaar na de vorming van de eerste vaste stoffen in het zonnestelsel.

"We laten zien dat Jupiter de asteroïdengordel voldoende in beweging zou hebben gebracht om de hoge impactsnelheden te produceren die nodig zijn om deze CB-chondrieten te vormen, " zei Brandon Johnson, een planetaire wetenschapper aan de Brown University die het onderzoek leidde. "Deze meteorieten vertegenwoordigen de eerste keer dat het zonnestelsel de ontzagwekkende kracht van Jupiter voelde."

Animatie die de groei van lichamen in het binnenste zonnestelsel laat zien en opwinding veroorzaakt door de migratie van Jupiter. Krediet:Kevin Walsh Southwest Research Institute (SwRI)

Vreemde structuren

Chondrieten zijn een klasse van meteorieten bestaande uit chondrulen, kleine bolletjes van eerder gesmolten materiaal, en behoren tot de meest voorkomende meteorieten die op aarde worden gevonden. De CB-chondrieten zijn een relatief zeldzaam subtype dat meteorieten al lang gefascineerd heeft.

Een deel van wat de CB-chondrieten zo interessant maakt, is dat hun chondrulen allemaal dateren uit een zeer smal tijdvenster in het vroege zonnestelsel. "De chondrulen in andere meteorieten geven ons een reeks verschillende leeftijden, "Zei Johnson. "Maar die in de CB-chondrieten dateren allemaal uit deze korte periode, 5 miljoen jaar na de eerste vaste stoffen in het zonnestelsel."

Maar voor Johnson, die impactdynamica bestudeert, er is nog iets interessants aan CB-chondrieten:ze bevatten metaalachtige korrels die rechtstreeks uit verdampt ijzer lijken te zijn gecondenseerd.

"Ijzer verdampen vereist echt hoge snelheden, Johnson zei. "Je moet een botssnelheid hebben van ongeveer 20 kilometer per seconde om ijzer te verdampen. maar traditionele computermodellen van het vroege zonnestelsel produceren alleen inslagsnelheden van ongeveer 12 kilometer per seconde op het moment dat de CB-chondrieten werden gevormd."

X-ray elementaire kaarten van de chondrieten Hammadah al Hamra 237 en Isheyevo. Krediet:Alexander Krot (Hawai'i Institute of Geophysics and Planetology, Universiteit van Hawaï in Manoa)

Dus Johnson werkte samen met Kevin Walsh van het Southwest Research Institute in Boulder, Colorado, om nieuwe computermodellen van de chondrule-vormende periode te genereren - modellen die de aanwezigheid van Jupiter nabij de huidige positie van de asteroïdengordel omvatten.

Zwaartekrachtboost

Grote planeten genereren veel zwaartekracht, die met hoge snelheden nabije objecten kan slingeren. NASA maakt vaak gebruik van deze dynamische, ruimtevaartuig rond planeten slingeren om snelheid te genereren.

Walsh en Johnson namen in hun simulaties een scenario op van de vorming en migratie van Jupiter dat door veel planetaire wetenschappers als waarschijnlijk wordt beschouwd. Het scenario, bekend als de Grand Tack (een term uit het zeilen), suggereert dat Jupiter ergens in het buitenste zonnestelsel is gevormd. Maar toen het zijn dikke atmosfeer aangroeide, het veranderde de verdeling van de massa in de gasachtige zonnenevel eromheen. Die verandering in massadichtheid zorgde ervoor dat de planeet migreerde, naar binnen bewegend in de richting van de zon tot ongeveer waar de asteroïdengordel zich nu bevindt. Later, de vorming van Saturnus creëerde een aantrekkingskracht die beide planeten terugtrok naar waar ze nu zijn.

"Als we de Grand Tack in ons model opnemen op het moment dat de CB-chondrieten werden gevormd, krijgen we een enorme piek in inslagsnelheden in de asteroïdengordel, " zei Walsh. "De snelheden die in onze modellen worden gegenereerd, zijn gemakkelijk snel genoeg om het verdampte ijzer in CB-chondrieten te verklaren."

Gecombineerde x-ray elementaire kaarten in Mg (rood), Ca (green) and Al (blue) of the chondrite Gujba. Credit:Alexander Krot (Hawai‘i Institute of Geophysics and Planetology, University of Hawai‘i at Mānoa)

The most extreme collision in the model was an object with a 90-kilometer diameter slamming into a 300-kilometer body at a speed of around 33 kilometers per second. Such a collision would have vaporized 30 to 60 percent of the larger body's iron core, providing ample material for CB chondrites.

The models also show that the increase in impact velocities would have been short-lived, lasting only about 500, 000 years or so (a blink of an eye on the cosmic timescale). That short timescale allowed the researchers to conclude that Jupiter formed and migrated at roughly the same time the CB chondrites formed.

The researchers say that while the study is strong evidence for the Grand Tack migration scenario, it doesn't necessarily preclude other migration scenarios. "It's possible that Jupiter formed closer to the sun and then migrated outward, rather than the in then out migration of the Grand Tack, " Johnson said.

Whatever the scenario, the study provides strong constraints on the timing of Jupiter's presence in the inner solar system.

"In retrospect, it seems obvious that you would need something like Jupiter to stir the asteroid belt up this much, " Johnson said. "We just needed to create these models and calculate the impact speeds to connect the dots."