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 ontstond tijdens de geboorte van het zonnestelsel. De bevindingen bieden inzicht in de fundamentele processen die ten grondslag liggen aan de vorming van planetaire systemen, waarvan er vele nog steeds in mysterie zijn gehuld.

Voor de studie ontwikkelde het team een ​​nieuw type raamwerk, dat 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 die bekend staat als een protoplanetaire planeet. schijf of zonnenevel. Het vergelijken van de voorspellingen van het model met een uiterst gedetailleerde analyse van de chemische samenstelling en kristalstructuur van het monster, samen met een model van hoe materie in de zonnenevel werd getransporteerd, onthulde aanwijzingen over de reis van het graan en de omgevingsomstandigheden die het onderweg vormden. .

Het graan dat in het onderzoek is geanalyseerd, is een van de vele insluitsels, bekend als calcium-aluminiumrijke insluitsels, oftewel CAI's, ontdekt in een monster van de Allende-meteoriet die in 1969 boven de Mexicaanse staat Chihuahua viel. CAI's zijn van bijzonder belang omdat ze Men denkt dat ze tot de eerste vaste stoffen behoren die zich meer dan 4.5 miljard jaar geleden in het zonnestelsel vormden.

Vergelijkbaar met hoe postzegels in een paspoort een verhaal vertellen over de reis van een reiziger en de tussenstops onderweg, ontsluiten de structuren op micro- en atomaire schaal van de monsters een verslag van hun vormingsgeschiedenis, die werd gecontroleerd door de collectieve omgevingen waaraan ze werden blootgesteld. .

“Voor zover wij weten is ons artikel het eerste dat een oorsprongsverhaal vertelt dat aanwijzingen biedt over de waarschijnlijke processen die plaatsvonden op de schaal van astronomische afstanden, in overeenstemming met wat we in ons onderzoek zien op de schaal van atomaire afstanden”, zegt 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 Wetenschapsjournaal.

Zega en zijn team analyseerden de samenstelling van de insluitsels die in de meteoriet waren ingebed met behulp van de allernieuwste scanning-transmissie-elektronenmicroscopen met atomaire resolutie - één bij de Kuiper Materials Imaging and Characterization Facility van UArizona, en de 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 zonne-energie.

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

Door de ruimtelijke rangschikking van atomen nauwkeurig te analyseren, kon het team de samenstelling van de onderliggende kristalstructuren tot in detail bestuderen. Tot verbazing van het team waren sommige resultaten in tegenspraak met de huidige theorieën over de fysieke processen die vermoedelijk actief zijn in protoplanetaire schijven, wat hen ertoe aanzette dieper te graven.

“Onze uitdaging is dat we niet weten welke chemische routes tot de oorsprong van deze insluitsels hebben geleid,” zei Zega. “De natuur is onze laboratoriumbeker, en dat experiment vond plaats miljarden jaren voordat wij bestonden, in een volkomen buitenaardse 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 nauwe convergentie van expertise die de velden van planetaire wetenschap, materiaalkunde, minerale wetenschap en microscopie omvat, en dat was wat we van plan waren te doen," voegde Krishna Muralidharan, co-auteur van het onderzoek en universitair hoofddocent aan de UArizona toe. Afdeling Materiaalwetenschappen en Techniek.

Op basis van de gegevens die de auteurs uit hun monsters konden halen, concludeerden ze dat het deeltje zich vormde in een gebied van de protoplanetaire schijf, niet ver van waar de aarde nu is, en vervolgens een reis dichter bij de zon maakte, waar het steeds heter werd. om later van koers te veranderen en aan te spoelen in koelere delen, verder van de jonge zon. Uiteindelijk werd het opgenomen in een asteroïde, die later in stukken uiteenviel. Sommige van die stukken werden gevangen door de zwaartekracht van de aarde en vielen als meteorieten naar beneden.

De monsters voor dit onderzoek zijn genomen uit de binnenkant van een meteoriet en worden als primitief beschouwd – dat wil zeggen: niet beïnvloed door omgevingsinvloeden. Aangenomen wordt 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 vergelijkbare objecten voorkomen in asteroïde Bennu, waarvan monsters in 2023 door de door UArizona geleide OSIRIS-REx-missie naar de aarde zullen worden teruggestuurd, valt nog te bezien. Tot die tijd vertrouwen wetenschappers op monsters die via meteorieten op de aarde vallen.

“Dit materiaal is ons enige bewijs van wat er 4.567 miljard jaar geleden gebeurde in de zonnenevel”, zegt Venkat Manga, co-auteur van het artikel en assistent-onderzoeksprofessor aan het Department of Materials Science and Engineering van de UArizona. “In staat zijn om naar de microstructuur van ons monster op verschillende schalen te kijken, tot aan de lengte van individuele atomen, is als het openen van een boek.”

De auteurs zeiden dat studies als 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 is samengesteld en hoe het de zon doet ontstaan. en de planeten.

Krachtige radiotelescopen zoals de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, of ALMA, in Chili stellen astronomen nu in staat stellaire systemen te 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,” zei Zega. “Zijn deze stofdeeltjes ontstaan ​​waar we denken dat ze dat deden in ons eigen zonnestelsel? Zijn ze gemeenschappelijk voor alle sterrenstelsels? Moeten we het patroon dat we in ons zonnestelsel zien – rotsachtige planeten dichtbij de centrale ster en gasreuzen verder weg – in alle systemen verwachten?

“Het is een hele interessante tijd om wetenschapper te zijn, nu deze vakgebieden zo snel evolueren,” voegde hij eraan toe. “En het is geweldig om bij een instelling te werken waar onderzoekers transdisciplinaire samenwerkingsverbanden kunnen aangaan tussen vooraanstaande astronomie-, planetaire en materiaalwetenschappen-afdelingen van dezelfde universiteit.”

###

De studie was co-auteur van Fred Ciesla van de Universiteit van Chicago en Keitaro Watanabe en Hiromi Inada, beiden bij de Nano-Technology Solution Business Group van Hitachi High-Technologies Corp. in Japan.

De financiering werd verstrekt via NASA's Emerging Worlds Program; NASA's Origins-programma; en NASA's Nexus for Exoplanet System Science (NExSS) onderzoekscoördinatienetwerk, dat wordt gesponsord door NASA's Science Mission Directorate. NASA en de National Science Foundation zorgden voor de financiering van de instrumentatie in de Kuiper Materials Imaging and Characterization Facility van LPL.