Wetenschappers hebben een nieuw type sterrenstof ontdekt waarvan de samenstelling aangeeft dat het is gevormd tijdens een zeldzame vorm van nucleosynthese (het proces waarbij nieuwe atoomkernen worden gemaakt) en dat een nieuw licht zou kunnen werpen op de geschiedenis van water op aarde.

Een team onder leiding van kosmochemici van Caltech en Victoria University of Wellington in Nieuw-Zeeland bestudeerde oude mineralenaggregaten in de Allende-meteoriet (die in 1969 op aarde viel) en ontdekte dat veel van hen ongewoon hoge hoeveelheden strontium-84 bevatten, een relatief zeldzame lichte isotoop van het element strontium dat zo genoemd is naar de 84 neutronen in zijn kern.

"Strontium-84 maakt deel uit van een familie van isotopen geproduceerd door een nucleosynthetisch proces, het p-proces genoemd, die mysterieus blijft, " zegt Caltech's François L.H. Tissot, assistent-professor geochemie. "Onze resultaten wijzen op het voortbestaan ​​van granen die mogelijk puur strontium-84 bevatten. Dit is opwindend, omdat de fysieke identificatie van dergelijke korrels een unieke kans zou bieden om meer te leren over het p-proces."

Tissot en medewerker Bruce L.A. Charlier van de Victoria University of Wellington zijn co-hoofdauteurs van een studie die de bevindingen beschrijft die werd gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang op 9 juli.

"Dit is heel interessant, " zegt Charlier. "We willen weten wat de aard van dit materiaal is en hoe het past in de mix van ingrediënten die het recept voor de planeten zijn gaan vormen."

Strontium (atoomsymbool:Sr), een chemisch reactief metaal, heeft vier stabiele isotopen:strontium-84 en zijn zwaardere neven die 86 hebben, 87, of 88 neutronen in hun kernen. Wetenschappers hebben ontdekt dat strontium nuttig is bij het dateren van objecten uit het vroege zonnestelsel, omdat een van zijn zware isotopen, strontium-87, wordt geproduceerd door het verval van de radioactieve isotoop rubidium-87 (atoomsymbool:Rb).

Rubidium-87 heeft een zeer lange halfwaardetijd, 49 miljard jaar, dat is meer dan drie keer de leeftijd van het heelal. Halfwaardetijd vertegenwoordigt de hoeveelheid tijd die nodig is om de radioactiviteit van een isotoop te laten dalen tot de helft van zijn oorspronkelijke waarde, waardoor deze isotopen kunnen dienen als chronometers voor het dateren van monsters op verschillende tijdschalen. De meest bekende radioactieve isotoop die voor datering wordt gebruikt, is koolstof-14, de radioactieve isotoop van koolstof; met een halfwaardetijd van ongeveer 5, 700 jaar, koolstof-14 kan worden gebruikt om de ouderdom van organische (koolstofhoudende) materialen op menselijke tijdschalen te bepalen, tot ongeveer 60, 000 jaar. Rubidium-87, in tegenstelling tot, kan worden gebruikt om de oudste objecten in het universum te dateren, en, dichter bij huis, de objecten in het zonnestelsel.

Wat bijzonder aantrekkelijk is aan het gebruik van het Rb-Sr-paar voor dating is dat rubidium een ​​vluchtig element is, dat wil zeggen, het heeft de neiging om te verdampen om een ​​gasfase te vormen, zelfs bij relatief lage temperaturen, terwijl strontium niet vluchtig is. Als zodanig, rubidium is in grotere hoeveelheden aanwezig in objecten in het zonnestelsel die rijk zijn aan andere vluchtige stoffen (zoals water), omdat ze gevormd bij lagere temperaturen.

Niet intuïtief, De aarde heeft een Rb/Sr-verhouding die 10 keer lager is dan die van waterrijke meteorieten, wat inhoudt dat de planeet ofwel is aangegroeid uit waterarme (en dus rubidium-arme) materialen, ofwel is aangegroeid uit waterrijke materialen, maar het meeste van zijn water in de loop van de tijd heeft verloren, evenals zijn rubidium. Begrijpen welke van deze scenario's plaatsvonden is belangrijk voor het begrijpen van de oorsprong van water op aarde.

In theorie, de Rb-Sr-chronometer zou deze twee scenario's uit elkaar moeten kunnen halen, aangezien de hoeveelheid Sr-87 geproduceerd door radioactief verval in een bepaalde tijd niet hetzelfde zal zijn als de aarde zou beginnen met veel rubidium versus minder van het materiaal.

In het laatste scenario, d.w.z., met minder rubidium, de nieuw gevormde aarde zou arm zijn aan vluchtige stoffen zoals water, dus de hoeveelheid Sr-87 in de aarde en in vluchtig-arme meteorieten zou vergelijkbaar zijn met die waargenomen in de oudst bekende vaste stoffen van het zonnestelsel, de zogenaamde CAI's. CAI's zijn calcium- en aluminiumrijke insluitsels die in bepaalde meteorieten worden aangetroffen. Daterend van 4,567 miljard jaar, CAI's vertegenwoordigen de eerste objecten die condenseerden in de vroege zonnenevel, de afgeplatte, roterende schijf van gas en stof waaruit het zonnestelsel is ontstaan. Als zodanig, CALS bieden een geologisch inzicht in hoe en uit welk type stellaire materialen het zonnestelsel is gevormd.

"Ze zijn kritische getuigen van de processen die plaatsvonden terwijl het zonnestelsel zich vormde, ' zegt Tissot.

Echter, de samenstelling van CAI's heeft wetenschappers lang in de war gebracht om te bepalen of de aarde grotendeels droog is gevormd of niet. Dat komt omdat CALS, in tegenstelling tot andere materialen van het zonnestelsel, hebben afwijkende verhoudingen van de vier strontiumisotopen, met een licht verhoogd aandeel strontium-84. Dus, ze vormen een uitdaging voor de geldigheid van het rubidium-strontium-dateringssysteem. En ze roepen ook een belangrijke vraag op:waarom zijn ze anders?

Meer leren, Tissot en Charlier namen negen exemplaren van zogenaamde fijnkorrelige CALS. Fijnkorrelige CAI's hebben hun condensaat behouden (dat wil zeggen, sneeuwvlokachtige) textuur, wat getuigt van hun ongerepte natuur.

Het team heeft deze CAI's nauwgezet uitgeloogd door ze te baden in geleidelijk hardere zuren om de meer chemisch reactieve mineralen (en het strontium dat ze bevatten) te verwijderen, waardoor een concentraat van alleen de meest resistente fractie overblijft. Het uiteindelijke monster bevatte bijna pure Sr-84, terwijl een typisch monster bestaat uit 0,56 procent Sr-84.

"Step-uitloging is een beetje een bot instrument omdat je niet helemaal zeker weet wat je precies vernietigt bij elke stap, Charlier zegt. Maar de kern van wat we hebben gevonden is, als je eenmaal 99 procent van de gemeenschappelijke componenten binnen de CAI's hebt verwijderd, wat we overhouden is iets zeer exotisch dat we niet hadden verwacht."

"De handtekening is anders dan al het andere dat in het zonnestelsel wordt gevonden, "zegt Tissot. De korrels die deze handtekening dragen, Tissot en Charlier concludeerden:moet gevormd zijn vóór de geboorte van het zonnestelsel en het catastrofale proces hebben overleefd waarbij stellaire korrels werden verwarmd tot extreem hoge temperaturen, verdampt, en vervolgens gecondenseerd tot vaste materialen.

Gezien de relatieve overvloed aan strontium-84, de ontdekking wijst op het waarschijnlijke bestaan ​​in meteorieten van korrels ter grootte van nanometers die bijna puur strontium-84 bevatten en die werden gevormd tijdens een zeldzaam nucleosynthetisch proces vóór de vorming van het zonnestelsel zelf. De aard van deze granen is nog steeds een mysterie, aangezien alleen hun isotopensamenstelling in strontium hun bestaan ​​onthult. Maar de hoge niveaus van Sr-84 in de CAI's suggereren dat de aarde en vluchtig-arme meteorieten meer strontium-87 bevatten dan CAI's, voorstander van het scenario waarin de aarde met meer water en vluchtige elementen aangroeide, die vervolgens binnen de eerste paar miljoen jaar na hun vorming verloren gingen.

De wetenschappelijke vooruitgang paper is getiteld "Overleving van presolaire p-nuclidedragers in de nevel onthuld door stapsgewijze uitloging van vuurvaste Allende-insluitsels."