Ein Forschungsteam unter der Leitung der University of Arizona hat die Geschichte eines Staubkorns, das sich bei der Geburt des Sonnensystems vor mehr als 4.5 Milliarden Jahren bildete, in noch nie dagewesener Detailtiefe rekonstruiert. Die Ergebnisse geben Einblicke in die grundlegenden Prozesse, die der Entstehung von Planetensystemen zugrunde liegen, von denen viele noch immer geheimnisvoll sind.

Für die Studie entwickelte das Team eine neue Art von Gerüst, das Quantenmechanik und Thermodynamik kombiniert, um die Bedingungen zu simulieren, denen das Korn während seiner Entstehung ausgesetzt war, als das Sonnensystem eine wirbelnde Scheibe aus Gas und Staub war, die als protoplanetare bekannt war Scheibe oder Sonnennebel. Der Vergleich der Vorhersagen des Modells mit einer äußerst detaillierten Analyse der chemischen Zusammensetzung und Kristallstruktur der Probe sowie eines Modells des Materietransports im Sonnennebel ergaben Hinweise auf die Reise des Korns und die Umweltbedingungen, die es auf seinem Weg prägten .

Das in der Studie analysierte Getreide ist einer von mehreren Einschlüssen, die als Calcium-Aluminium-reiche Einschlüsse oder CAIs bekannt sind und in einer Probe des Allende-Meteoriten entdeckt wurden, der 1969 über dem mexikanischen Bundesstaat Chihuahua fiel. CAIs sind von besonderem Interesse, weil sie gehören zu den ersten Festkörpern, die sich vor mehr als 4.5 Milliarden Jahren im Sonnensystem gebildet haben.

Ähnlich wie Briefmarken in einem Reisepass eine Geschichte über die Reise eines Reisenden und die Zwischenstopps auf dem Weg erzählen, eröffnen die Strukturen der Proben im Mikro- und Atommaßstab eine Aufzeichnung ihrer Entstehungsgeschichte, die von der kollektiven Umgebung kontrolliert wurde, der sie ausgesetzt waren .

„Soweit wir wissen, ist unser Papier das erste, das eine Entstehungsgeschichte erzählt, die Hinweise auf die wahrscheinlichen Prozesse bietet, die auf der Skala astronomischer Entfernungen stattgefunden haben, mit dem, was wir in unserer Probe auf der Skala von Atomentfernungen sehen“, sagte Tom Zega , Professor am Lunar and Planetary Laboratory der University of Arizona und Erstautor der in Das Planetary Science Journal.

Zega und sein Team analysierten die Zusammensetzung der in den Meteoriten eingebetteten Einschlüsse mit modernsten Rastertransmissionselektronenmikroskopen mit atomarer Auflösung – eines in der Kuiper Materials Imaging and Characterization Facility von UArizona und seinem Schwestermikroskop in der Hitachi-Fabrik in Hitachinaka, Japan.

Es wurde festgestellt, dass die Einschlüsse hauptsächlich aus Mineralarten bestehen, die als Spinell und Perowskit bekannt sind, die auch in Gesteinen auf der Erde vorkommen und als Kandidatenmaterialien für Anwendungen wie Mikroelektronik und Photovoltaik untersucht werden.

Ähnliche Arten von Feststoffen kommen in anderen Arten von Meteoriten vor, die als kohlenstoffhaltige Chondrite bekannt sind und die für Planetenwissenschaftler besonders interessant sind, da sie als Überbleibsel aus der Entstehung des Sonnensystems bekannt sind und organische Moleküle enthalten, einschließlich solcher, die die Rohstoffe bereitgestellt haben könnten für das Leben.

Die genaue Analyse der räumlichen Anordnung der Atome ermöglichte es dem Team, den Aufbau der zugrunde liegenden Kristallstrukturen sehr detailliert zu untersuchen. Zur Überraschung des Teams standen einige der Ergebnisse im Widerspruch zu aktuellen Theorien über die physikalischen Prozesse, von denen angenommen wird, dass sie in protoplanetaren Scheiben aktiv sind, was sie dazu veranlasste, tiefer zu graben.

„Unsere Herausforderung besteht darin, dass wir nicht wissen, welche chemischen Wege zu den Ursprüngen dieser Einschlüsse geführt haben“, sagte Zega. „Die Natur ist unser Laborbecher, und dieses Experiment fand Milliarden von Jahren vor unserer Existenz in einer völlig fremden Umgebung statt.“

Zega sagte, das Team habe sich vorgenommen, die Zusammensetzung der außerirdischen Proben zu „reverse-engineeren“, indem es neue Modelle entwarf, die komplexe chemische Prozesse simulierten, denen die Proben in einer protoplanetaren Scheibe unterzogen würden.

„Solche Modelle erfordern eine enge Konvergenz von Fachkenntnissen aus den Bereichen Planetenwissenschaft, Materialwissenschaft, Mineralwissenschaft und Mikroskopie, was wir uns vorgenommen haben“, fügte Krishna Muralidharan, Mitautorin der Studie und außerordentliche Professorin an der UArizona, hinzu Institut für Materialwissenschaften und -technik.

Basierend auf den Daten, die die Autoren ihren Proben entnehmen konnten, kamen sie zu dem Schluss, dass das Teilchen, das sich in einer Region der protoplanetaren Scheibe nicht weit von der heutigen Erde bildete, dann eine Reise näher zur Sonne machte, wo es immer heißer wurde. nur um später umzukehren und an kühleren Stellen weiter von der jungen Sonne wegzuspülen. Schließlich wurde es in einen Asteroiden eingebaut, der später in Stücke zerbrach. Einige dieser Stücke wurden von der Schwerkraft der Erde eingefangen und fielen als Meteoriten.

Die Proben für diese Studie wurden aus dem Inneren eines Meteoriten entnommen und gelten als primitiv – also unbeeinflusst von Umwelteinflüssen. Es wird angenommen, dass dieses primitive Material seit seiner Entstehung vor mehr als 4.5 Milliarden Jahren keine wesentlichen Veränderungen erfahren hat, was selten ist. Ob ähnliche Objekte im Asteroiden Bennu vorkommen, von dem 2023 Proben von der UArizona-geführten OSIRIS-REx-Mission zur Erde zurückgebracht werden, bleibt abzuwarten. Bis dahin verlassen sich Wissenschaftler auf Proben, die über Meteoriten auf die Erde fallen.

„Dieses Material ist unsere einzige Aufzeichnung dessen, was vor 4.567 Milliarden Jahren im Sonnennebel geschah“, sagte Venkat Manga, Mitautor des Papiers und Assistenzprofessor am Department of Materials Science and Engineering der UArizona. „Die Mikrostruktur unserer Probe in verschiedenen Maßstäben bis hin zur Länge einzelner Atome betrachten zu können, ist wie ein Buch aufschlagen.“

Die Autoren sagten, dass Studien wie diese die Planetenforscher einem „großen Modell der Planetenentstehung“ einen Schritt näher bringen könnten – einem detaillierten Verständnis des Materials, das sich um die Scheibe bewegt, woraus es besteht und wie es zur Sonne führt und die Planeten.

Leistungsstarke Radioteleskope wie das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array oder ALMA in Chile ermöglichen es Astronomen nun, Sternsysteme bei ihrer Entwicklung zu beobachten, sagte Zega.

„Vielleicht können wir irgendwann einen Blick in die sich entwickelnden Festplatten werfen und dann unsere Daten zwischen den Disziplinen wirklich vergleichen und damit beginnen, einige dieser wirklich großen Fragen zu beantworten“, sagte Zega. „Bilden sich diese Staubpartikel dort, wo wir sie in unserem eigenen Sonnensystem vermuten? Sind sie allen Sternsystemen gemeinsam? Sollten wir das Muster, das wir in unserem Sonnensystem sehen – Gesteinsplaneten in der Nähe des Zentralsterns und Gasriesen weiter draußen – in allen Systemen erwarten?

„Es ist eine wirklich interessante Zeit, Wissenschaftler zu sein, wenn sich diese Gebiete so schnell entwickeln“, fügte er hinzu. „Und es ist großartig, an einer Institution zu sein, an der Forscher transdisziplinäre Kooperationen zwischen führenden Astronomie-, Planeten- und Materialwissenschaften derselben Universität eingehen können.“

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Die Studie wurde gemeinsam von Fred Ciesla von der University of Chicago und Keitaro Watanabe und Hiromi Inada, beide mit der Nano-Technology Solution Business Group bei Hitachi High-Technologies Corp. in Japan, verfasst.

Die Finanzierung erfolgte durch das Emerging Worlds Program der NASA; Origins-Programm der NASA; und das Forschungskoordinationsnetzwerk Nexus for Exoplanet System Science (NExSS) der NASA, das vom Science Mission Directorate der NASA gesponsert wird. Die NASA und die National Science Foundation stellten die Mittel für die Instrumentierung in der Kuiper Materials Imaging and Characterization Facility des LPL bereit.