Исследование Массачусетского технологического института позволяет предположить, что около 4,567 млрд. лет назад в протопланетном диске Солнечной системы существовала загадочная брешь, которая, вероятно, и определила состав планет Солнечной системы. На этом изображении представлена интерпретация протопланетного диска. Credit: National Science Foundation, A. Khan
Ученые обнаружили свидетельства того, что в ранней Солнечной системе существовал разрыв между ее внутренней и внешней областями.
Эта космическая граница, возможно, вызванная молодым Юпитером или зарождающимся ветром, вероятно, сформировала состав планет младенческого возраста.
В ранней Солнечной системе «протопланетный диск» из пыли и газа вращался вокруг Солнца и в конце концов сформировался в известные нам планеты.
Новый анализ древних метеоритов, проведенный учеными Массачусетского технологического института и других университетов, позволяет предположить, что около 4,567 млрд. лет назад в этом диске существовала загадочная брешь, расположенная вблизи того места, где сегодня находится пояс астероидов.
Результаты исследования, опубликованные 15 октября 2021 г. в журнале Science Advances, являются прямым доказательством существования этого разрыва.
«За последнее десятилетие наблюдения показали, что полости, разрывы и кольца часто встречаются в дисках вокруг других молодых звезд», — говорит Бенджамин Вайс, профессор планетарных наук факультета наук о Земле, атмосфере и планетах Массачусетского технологического института (EAPS). «Это важные, но малоизученные признаки физических процессов, в результате которых газ и пыль превращаются в молодое Солнце и планеты».
Аналогичным образом, причина возникновения такого разрыва в нашей собственной Солнечной системе остается загадкой. Один из вариантов — влияние Юпитера. Когда газовый гигант формировался, его огромное гравитационное притяжение могло оттеснить газ и пыль к окраинам, оставив зазор в развивающемся диске.
Другое объяснение может быть связано с ветрами, возникающими на поверхности диска. Ранние планетарные системы управляются сильными магнитными полями. При взаимодействии этих полей с вращающимся диском из газа и пыли могут возникать ветры, достаточно мощные для того, чтобы выдуть вещество наружу, оставив зазор в диске.
Независимо от происхождения, разрыв в ранней Солнечной системе, вероятно, служил космической границей, удерживающей материал по обе стороны от него от взаимодействия. Это физическое разделение могло повлиять на состав планет Солнечной системы. Например, на внутренней стороне разрыва газ и пыль слились в земные планеты, включая Землю и Марс, а газ и пыль, отброшенные на более дальнюю сторону разрыва, образовали более ледяные области, такие как Юпитер и соседние газовые гиганты.
«Пересечь этот зазор довольно сложно, и планете потребуется большой внешний момент и импульс», — говорит ведущий автор работы, аспирант EAPS Каук Борлина (Cauê Borlina). «Таким образом, это свидетельствует о том, что формирование наших планет было ограничено определенными регионами в ранней Солнечной системе».
Среди соавторов Вайса и Борлины — Эдуардо Лима, Ниланджан Чаттерджи и Элиас Мансбах из Массачусетского технологического института, Джеймс Брайсон из Оксфордского университета и Сюэ-Нин Бай из Университета Цинхуа.
Раскол в пространстве
В последнее десятилетие ученые заметили любопытное различие в составе метеоритов, попавших на Землю. Эти космические камни первоначально образовались в разное время и в разных местах, когда формировалась Солнечная система. В тех из них, которые были проанализированы, обнаружено одно из двух сочетаний изотопов. Редко встречаются метеориты, в которых присутствуют оба изотопа, что представляет собой загадку, известную как «изотопная дихотомия».
Ученые предполагают, что такая дихотомия может быть результатом разрыва в диске ранней Солнечной системы, однако прямого подтверждения этому нет.
Группа Вайса анализирует метеориты на предмет наличия признаков древних магнитных полей. Когда молодая планетная система формируется, она несет с собой магнитное поле, сила и направление которого могут меняться в зависимости от различных процессов, происходящих в эволюционирующем диске. Когда древняя пыль собиралась в зерна, называемые хондрулами, электроны внутри хондрулов выравнивались с магнитным полем, в котором они формировались.
Хондрулы могут быть меньше диаметра человеческого волоса и сегодня встречаются в метеоритах. Группа Вайса специализируется на измерении хондрулов с целью определения древних магнитных полей, в которых они первоначально образовались.
В предыдущей работе группа анализировала образцы одной из двух изотопных групп метеоритов, известной как неуглеводородные метеориты. Считается, что эти породы возникли в «резервуаре» или области ранней Солнечной системы, расположенной относительно близко к Солнцу. Группа Вайса ранее определила древнее магнитное поле в образцах из этой близкой области.
Несоответствие метеоритов
В своем новом исследовании ученые задались вопросом, будет ли магнитное поле таким же во второй изотопной, «углеродистой» группе метеоритов, которые, судя по их изотопному составу, как считается, возникли гораздо дальше в Солнечной системе.
Они проанализировали хондрулы размером около 100 мкм из двух углеродистых метеоритов, обнаруженных в Антарктиде. С помощью сверхпроводящего квантового интерференционного устройства (SQUID), высокоточного микроскопа, установленного в лаборатории Вайса, команда определила первоначальное, древнее магнитное поле каждой хондрулы.
К своему удивлению, они обнаружили, что напряженность их поля была сильнее, чем у более близких неуглеродистых метеоритов, которые они измеряли ранее. По мнению ученых, в процессе формирования молодых планетарных систем напряженность магнитного поля должна уменьшаться по мере удаления от Солнца.
Борлина и его коллеги обнаружили, что более далекие хондрулы имеют более сильное магнитное поле — около 100 мкТл по сравнению с полем в 50 мкТл в более близких хондрулах. Для сравнения, магнитное поле Земли сегодня составляет около 50 микротесла.
Магнитное поле планетарной системы является мерой скорости ее аккреции, т.е. количества газа и пыли, которое она может втянуть в свой центр с течением времени. Судя по магнитному полю углеродистых хондрулов, внешняя область Солнечной системы должна была аккрецировать гораздо больше массы, чем внутренняя.
Используя модели для моделирования различных сценариев, специалисты пришли к выводу, что наиболее вероятным объяснением несоответствия в скорости аккреции является наличие зазора между внутренним и внешним регионами, который мог уменьшить количество газа и пыли, поступающих к Солнцу из внешних регионов.
«Зазоры часто встречаются в протопланетных системах, и теперь мы показали, что такой зазор был и в нашей собственной Солнечной системе», — говорит Борлина. «Это дает ответ на странную дихотомию, которую мы наблюдаем в метеоритах, и является доказательством того, что разрывы влияют на состав планет».
Ссылка: «Paleomagnetic evidence for a disk substructure in the early solar system» Cauê S. Borlina, Benjamin P. Weiss, James F. J. Bryson, Xue-Ning Bai, Eduardo A. Lima, Nilanjan Chatterjee and Elias N. Mansbach, 15 October 2021, Science Advances . DOI: 10.1126/sciadv.abj6928
Исследование выполнено при частичной поддержке НАСА и Национального научного фонда.
