Voordat de aarde en andere planeten zich vormden, was de jonge zon nog omringd door kosmisch gas en stof. In de loop van de millennia zijn er rotsfragmenten van verschillende groottes gevormd uit het stof. Veel hiervan werden bouwstenen voor de latere planeten. Anderen werden geen onderdeel van een planeet en draaien vandaag de dag nog steeds om de zon, bijvoorbeeld als asteroïden in de asteroïdengordel.

Onderzoekers van ETH Zürich en het National Center of Competence in Research (NCCR) PlanetS hebben, in samenwerking met een internationaal team, ijzermonsters geanalyseerd uit de kernen van dergelijke asteroïden die als meteorieten op aarde zijn geland. Daarbij ontrafelden ze een deel van hun vroege geschiedenis in de tijd dat planeten werden gevormd. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nature Astronomy .

Getuigen van het vroege zonnestelsel

"Eerdere wetenschappelijke studies hebben aangetoond dat asteroïden in het zonnestelsel relatief onveranderd zijn gebleven sinds hun vorming, miljarden jaren geleden", legt hoofdauteur en onderzoeker van de ETH Zürich en de NCCR PlanetS uit, legt Alison Hunt uit. "Ze zijn dus een archief, waarin de omstandigheden van het vroege zonnestelsel bewaard zijn gebleven", zegt Hunt.

Maar om dit archief te ontsluiten, moesten de onderzoekers het buitenaardse materiaal grondig voorbereiden en onderzoeken. Het team nam monsters van 18 verschillende ijzermeteorieten, die ooit deel uitmaakten van de metalen kernen van asteroïden. Om hun analyse uit te voeren, moesten ze de monsters oplossen om de elementen Palladium, Zilver en Platina te kunnen isoleren voor hun gedetailleerde analyse. Met behulp van een massaspectrometer hebben ze de abundanties van verschillende isotopen van deze elementen gemeten. Isotopen zijn verschillende atomen van bepaalde elementen, in dit geval Palladium, Zilver en Platina, die allemaal hetzelfde aantal protonen in hun kernen delen, maar variëren in het aantal neutronen.

In de eerste paar miljoen jaar van ons zonnestelsel werden de metalen asteroïdekernen verwarmd door radioactief verval van isotopen. Toen ze begonnen af ​​te koelen, begon zich een specifieke zilveren isotoop, geproduceerd door radioactief verval, op te hopen. Door de huidige zilverisotoopverhoudingen binnen de ijzermeteorieten te meten, konden de onderzoekers bepalen wanneer en hoe snel de asteroïdekernen waren afgekoeld.

De resultaten toonden aan dat de afkoeling snel was en waarschijnlijk plaatsvond als gevolg van ernstige botsingen met andere lichamen, die de isolerende rotsachtige mantel van de asteroïden braken en hun metalen kernen blootstelden aan de kou van de ruimte. Hoewel de snelle afkoeling was aangegeven door eerdere studies op basis van zilverisotoopmetingen, was de timing onduidelijk gebleven.

"Onze aanvullende metingen van de hoeveelheid platina-isotoop stelden ons in staat om de metingen van zilveren isotopen te corrigeren voor vervormingen veroorzaakt door kosmische bestraling van de monsters in de ruimte. Dus we waren in staat om de timing van de botsingen nauwkeuriger dan ooit tevoren te dateren", meldt Hunt. "En tot onze verbazing waren alle asteroïde kernen die we onderzochten bijna gelijktijdig blootgesteld, binnen een tijdsbestek van 7,8 tot 11,7 miljoen jaar na de vorming van het zonnestelsel", zegt de onderzoeker.

De bijna gelijktijdige botsingen van de verschillende asteroïden gaven het team aan dat deze periode een zeer onrustige fase van het zonnestelsel moet zijn geweest. "Everything seems to have been smashing together at that time," Hunt says. "And we wanted to know why," she adds.

From the laboratory to the solar nebula

The team considered different causes by combining their results with those from the latest, most sophisticated computer simulations of the solar system development. Together, these sources could narrow down the possible explanations.

"The theory that best explained this energetic early phase of the solar system indicated that it was caused primarily by the dissipation of the so-called solar nebula," study co-author, NCCR PlanetS member and Professor of Cosmochemistry at the ETH Zurich, Maria Schönbächler explains. "This solar nebula is the remainder of gas that was left over from the cosmic cloud out of which the Sun was born. For a few million years, it still orbited the young Sun until it was blown away by solar winds and radiation," Schönbächler says

While the nebula was still around, it slowed down the objects orbiting the sun in it—similar to how air resistance slows a moving car. After the nebula had disappeared, so the researchers suggest, the lack of gas drag allowed the asteroids to accelerate and collide into each other—like bumper cars that were turned to turbo-mode.

"Our work illustrates how improvements in laboratory measurement techniques allow us to infer key processes that took place in the early solar system—like the likely time by which the solar nebula had gone. Planets like the Earth were still in the process of being born at that time. Ultimately, this can help us to better understand how our own planets were born, but also give us insights into others outside our solar system," Schönbächler concludes. + Verder verkennen

Stardust from red giants