Ученые воссоздали рождение Солнечной системы в лабораторных условиях

Чтобы разгадать загадку Солнечной системы, которая занимала умы геохимиков долгие годы, ученые воссоздали ее рождение в банке.

Смоделировав в лабораторных условиях процессы, происходившие при рождении Солнечной системы из протопланетного облака, американские геохимики смогли разрешить загадку, не дававшую покоя ученым несколько десятилетий.

Эта остававшаяся неразрешимой тайна происхождения Земли и планет Солнечной системы касается кислорода, самого распространенного элемента, содержащегося в земной коре. В естественных условиях кислород встречается в виде трех устойчивых изотопов: ¹⁶O, ¹⁷О и ¹⁸О. Ядра этих элементов имеют одинаковое число протонов, однако отличаются по количеству нейтронов. Самым распространенным на Земле является ¹⁶O, на долю которого приходится 99,7% всего кислорода. Пропорции изотопов кислорода в слагающих земные породы минералах примерно одинаковы и соответствуют пропорциям в породах, встречающихся на Луне и планетах земной группы.

Это было установлено путем изучения метеоритов, прилетающих на Землю с Луны или, скажем, с Марса.

Такое однообразие в кислородных изотопах убеждало ученых в том, что и Земля со своей Луной, и планеты земной группы формировались из однородного вещества протопланетного диска, образовавшего Солнечную систему миллиарды лет назад.

Путаница началась сорок лет назад, когда ученые провели изотопный анализ метеорита, упавшего в 1969 году в районе мексиканской деревушки Пуэблито-де-Альендэ. Исследования показали, что соотношение тяжелых изотопов кислорода в этом метеорите существенно отличается от состава земных пород. Если обычно ¹⁷О, ядро которого имеет один лишний нейтрон, встречается в два раза реже, чем ¹⁸О с двумя лишними нейтронами, то в мексиканском и ряде других метеоритов эти изотопы присутствовали в одинаковых пропорциях.

Учеными установлено, что «аномальные» метеориты являются самыми древними объектами Солнечной системы, сформировавшимися 4,6 млрд лет назад.

«Изотопы кислорода в этих метеоритах сильно отличаются от тех изотопов, что встречаются на планетах земной группы. Учитывая то, что кислород является третьим по распространенности элементом во Вселенной и одним из главных элементов, образующих горные породы, эта вариация у различных тел Солнечной системы оставалась загадкой, которую надо разрешить для понимания того, как рождалась и эволюционировала Солнечная система», — говорит Субрата Чакраборти, автор исследования, опубликованного в журнале Science.

Чтобы понять, с чем связана аномалия в изотопной концентрации кислорода в некоторых метеоритах, ученые решили воссоздать в лабораторных условиях процессы, руководившие слипанием вещества на заре рождения планет.

Для этого они заполнили небольшую камеру размером с хоккейную шайбу чистым кислородом, водородом и поместили туда частицу твердого моноксида кремния.

Именно эти вещества наблюдают радиоастрономы в межзвездных облаках, подобных тем, из которых 4,5 млрд лет назад образовалась наша Солнечная система.
При помощи лазера ученые испаряли частицу моноксида кремния и в ходе реакций получали диоксид кремния, основу всех силикатов, например кварца, которые преобладают в земной коре. В ходе эксперимента диоксид кремния осаждался в виде пыли на стенках камеры.

По словам ученых, именно такие реакции образовывали первые твердые материалы в Солнечной системе.

«В нашем эксперименте мы воссоздали внутри камеры условия протосолнечной туманности и сформировали камни из газообразных веществ. Эти силикаты могут формироваться в разных реакциях — SiO+O2; SiO+O; SiO+OH. И лишь в канале SiO+OH мы получили аномальное соотношение изотопов», — пояснила «Газете.Ru» Чакраборти.

Проведя изотопный анализ получившейся пыли, ученые получили те же соотношения изотопов, что они видели в самых древних метеоритах, причем эта аномалия росла пропорционально присутствию водорода в реакции. «Это правило отбора, впервые увиденное нами при образовании озона тридцать лет назад», — пояснил «Газете.Ru» Марк Тименс из Калифорнийского университета в Сан-Диего, соавтор открытия. «Мы показали, что нам не нужен волшебный рецепт, чтобы получить эту кислородную аномалию. Просто так устроена физическая химия», — добавил он.