Een onderzoeksteam onder leiding van de Universiteit van Arizona heeft in ongekend detail de geschiedenis gereconstrueerd van een stofkorrel die meer dan 4,5 miljard jaar geleden werd gevormd tijdens de geboorte van het zonnestelsel. De bevindingen geven inzicht in de fundamentele processen die ten grondslag liggen aan de vorming van planetaire systemen, waarvan vele nog steeds in nevelen gehuld.

Voor de studie, het team ontwikkelde een nieuw type raamwerk, die kwantummechanica en thermodynamica combineert, om de omstandigheden te simuleren waaraan het graan werd blootgesteld tijdens zijn vorming, toen het zonnestelsel een wervelende schijf van gas en stof was, bekend als een protoplanetaire schijf of zonnenevel. Door de voorspellingen van het model te vergelijken met een uiterst gedetailleerde analyse van de chemische samenstelling en kristalstructuur van het monster, samen met een model van hoe materie werd getransporteerd in de zonnenevel, onthulde aanwijzingen over de reis van het graan en de omgevingsomstandigheden die het onderweg hebben gevormd.

Het graan dat in het onderzoek werd geanalyseerd, is een van de vele insluitsels, bekend als calcium-aluminiumrijke insluitsels, of CAI's, ontdekt in een monster van de Allende-meteoriet, die in 1969 over de Mexicaanse staat Chihuahua viel. CAI's zijn van bijzonder belang omdat ze worden beschouwd als een van de eerste vaste stoffen die zich meer dan 4,5 miljard jaar geleden in het zonnestelsel hebben gevormd.

Vergelijkbaar met hoe stempels in een paspoort een verhaal vertellen over de reis van een reiziger en onderweg stopt, de micro- en atomaire schaalstructuren van de monsters ontsluiten een record van hun vormingsgeschiedenis, die werden gecontroleerd door de collectieve omgevingen waaraan ze werden blootgesteld.

"Zo ver we weten, onze paper is de eerste die een oorsprongsverhaal vertelt dat aanwijzingen biedt over de waarschijnlijke processen die plaatsvonden op de schaal van astronomische afstanden met wat we in ons monster zien op de schaal van atomaire afstanden, " zei Tom Zega, een professor aan het Lunar and Planetary Laboratory van de Universiteit van Arizona en de eerste auteur van het artikel, gepubliceerd in Het planetaire wetenschappelijke tijdschrift.

Zega en zijn team analyseerden de samenstelling van de insluitsels die in de meteoriet waren ingebed met behulp van geavanceerde scanning-transmissie-elektronenmicroscopen met atomaire resolutie - een in UArizona's Kuiper Materials Imaging and Characterization Facility, en zijn zustermicroscoop in de Hitachi-fabriek in Hitachinaka, Japan.

De insluitsels bleken voornamelijk te bestaan ​​uit soorten mineralen die bekend staan ​​als spinel en perovskiet, die ook voorkomen in gesteenten op aarde en worden bestudeerd als kandidaatmaterialen voor toepassingen zoals micro-elektronica en fotovoltaïsche energie.

Soortgelijke soorten vaste stoffen komen voor in andere soorten meteorieten die bekend staan ​​als koolstofhoudende chondrieten, die met name interessant zijn voor planetaire wetenschappers, omdat bekend is dat ze overblijfselen zijn van de vorming van het zonnestelsel en organische moleculen bevatten, inclusief degenen die mogelijk de grondstoffen voor het leven hebben geleverd.

Door de ruimtelijke ordening van atomen nauwkeurig te analyseren, kon het team de samenstelling van de onderliggende kristalstructuren tot in detail bestuderen. Tot verbazing van het team sommige resultaten waren in strijd met de huidige theorieën over de fysieke processen waarvan wordt aangenomen dat ze actief zijn in protoplanetaire schijven, waardoor ze dieper moeten graven.

"Onze uitdaging is dat we niet weten welke chemische routes hebben geleid tot de oorsprong van deze insluitsels, Zega zei. "De natuur is onze laboratoriumbeker, en dat experiment vond miljarden jaren voordat we bestonden, in een volkomen vreemde omgeving."

Zega zei dat het team de samenstelling van de buitenaardse monsters wilde "reverse-engineeren" door nieuwe modellen te ontwerpen die complexe chemische processen simuleerden. waaraan de monsters zouden worden onderworpen in een protoplanetaire schijf.

"Dergelijke modellen vereisen een intieme convergentie van expertise op het gebied van planetaire wetenschap, materiaal kunde, minerale wetenschap en microscopie, dat was wat we wilden doen, " voegde Krishna Muralidharan eraan toe, een co-auteur van een studie en een universitair hoofddocent bij de afdeling Materials Science and Engineering van de UArizona.

Op basis van de gegevens konden de auteurs uit hun monsters plagen, ze concludeerden dat het deeltje gevormd in een gebied van de protoplanetaire schijf niet ver van waar de aarde nu is, maakte toen een reis dichter bij de zon, waar het steeds warmer werd, alleen om later van koers te veranderen en aan te spoelen in koelere delen verder van de jonge zon. Eventueel, het was opgenomen in een asteroïde, die later in stukken brak. Sommige van die stukken werden gevangen door de zwaartekracht van de aarde en vielen als meteorieten.

De monsters voor deze studie zijn genomen vanuit de binnenkant van een meteoriet en worden als primitief beschouwd - met andere woorden, niet beïnvloed door omgevingsinvloeden. Er wordt aangenomen dat dergelijk primitief materiaal geen significante veranderingen heeft ondergaan sinds het meer dan 4,5 miljard jaar geleden voor het eerst werd gevormd. wat zeldzaam is. Of soortgelijke objecten voorkomen in asteroïde Bennu, waarvan monsters in 2023 door de door UArizona geleide OSIRIS-REx-missie naar de aarde zullen worden teruggebracht, valt nog te bezien. Tot dan, wetenschappers vertrouwen op monsters die via meteorieten op de aarde vallen.

"Dit materiaal is ons enige verslag van wat 4,567 miljard jaar geleden gebeurde in de zonnenevel, " zei Venkat Manga, een co-auteur van het papier en een assistent-onderzoeksprofessor in de UArizona Department of Materials Science and Engineering. "In staat zijn om op verschillende schalen naar de microstructuur van ons monster te kijken, tot de lengte van individuele atomen, is als het openen van een boek."

De auteurs zeiden dat studies zoals deze planetaire wetenschappers een stap dichter bij "een groots model van planeetvorming" zouden kunnen brengen - een gedetailleerd begrip van het materiaal dat rond de schijf beweegt, waaruit het bestaat, en hoe het de zon en de planeten doet ontstaan.

Krachtige radiotelescopen zoals de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, of ALMA, in Chili laten astronomen nu sterrenstelsels zien terwijl ze evolueren, zei Zega.

"Misschien kunnen we op een gegeven moment in evoluerende schijven kijken, en dan kunnen we onze gegevens tussen disciplines echt vergelijken en beginnen met het beantwoorden van enkele van die echt grote vragen, Zega zei. Vormen deze stofdeeltjes zich waar we denken dat ze in ons eigen zonnestelsel zijn ontstaan? Zijn ze gemeenschappelijk voor alle sterrenstelsels? Moeten we het patroon verwachten dat we in ons zonnestelsel zien - rotsachtige planeten dicht bij de centrale ster en gasreuzen verder weg - in alle systemen?

"Het is een heel interessante tijd om wetenschapper te zijn nu deze velden zo snel evolueren, " voegde hij eraan toe. "En het is geweldig om bij een instelling te zijn waar onderzoekers transdisciplinaire samenwerkingen kunnen vormen tussen toonaangevende astronomie, planetaire en materiaalwetenschappen afdelingen aan dezelfde universiteit."