Древние астероиды показывают, что ранняя Солнечная система была более хаотичной, чем считалось ранее

Нет сомнений в том, что молодые солнечные системы - это хаотичные места. Каскадные столкновения определили нашу молодую Солнечную систему, когда камни, валуны и планетезимали неоднократно сталкивались.

Новое исследование, основанное на кусках астероидов, врезавшихся в Землю, устанавливает временные рамки этого хаоса.

Астрономы знают, что астероиды остаются практически неизменными с момента их образования в ранней Солнечной системе миллиарды лет назад.

Они похожи на каменные капсулы времени, содержащие научные сведения о той важной эпохе, поскольку у дифференцированных астероидов были мантии, защищавшие их внутренности от космического выветривания.

Но не все астероиды остались целыми.

Со временем повторяющиеся столкновения оторвали изолирующие мантии от их железных ядер, а затем раздробили некоторые из них на куски.

Некоторые из этих кусков упали на Землю. Упавшие из космоса камни представляли большой интерес для людей и в некоторых случаях были ценным ресурсом; король Тут был похоронен с кинжалом, сделанным из железного метеорита, а инуиты в Гренландии в течение многих веков делали инструменты из железного метеорита.

Ученые проявляют большой интерес к железным метеоритам из-за содержащейся в них информации.

В новом исследовании на основе железных метеоритов - фрагментов ядра крупных астероидов - изучались изотопы палладия, серебра и платины. Измеряя количество этих изотопов, авторы смогли более жестко ограничить время некоторых событий в ранней Солнечной системе.

Работа "Рассеивание солнечной туманности, ограниченное ударами и охлаждением ядра в планетезималях" была опубликована в журнале Nature Astronomy. Ведущий автор - Элисон Хант из ETH Zurich и Национального центра компетенции в области исследований (NCCR) PlanetS.

"Предыдущие научные исследования показали, что астероиды в Солнечной системе остаются относительно неизменными с момента их образования, миллиарды лет назад", - сказала Хант. "Таким образом, они являются архивом, в котором сохранились условия ранней Солнечной системы".

Древние египтяне и инуиты ничего не знали об элементах, изотопах и цепочках распада, а мы знаем. Мы понимаем, как различные элементы распадаются в цепочках на другие элементы, и знаем, сколько времени это занимает.

Одна из таких цепочек распада лежит в основе данной работы: короткоживущая система распада 107Pd-107Ag. Эта цепочка имеет период полураспада около 6,5 миллионов лет и используется для обнаружения присутствия короткоживущих нуклидов из ранней Солнечной системы.

Исследователи собрали образцы 18 различных железных метеоритов, которые когда-то были частями железных ядер астероидов.

Затем они выделили из них палладий, серебро и платину и с помощью масс-спектрометра измерили концентрацию различных изотопов этих трех элементов. Особый изотоп серебра имеет решающее значение в данном исследовании.

В течение первых нескольких миллионов лет истории Солнечной системы распадающиеся радиоактивные изотопы нагревали металлические ядра в астероидах. По мере охлаждения и распада изотопов в ядрах накапливался изотоп серебра (107Ag). Исследователи измерили соотношение 107Ag и других изотопов и определили, как быстро и когда остывали ядра астероидов.

Это не первый случай, когда исследователи изучают астероиды и изотопы подобным образом. Но предыдущие исследования не учитывали влияние галактических космических лучей (ГКЛ) на соотношение изотопов.

ГКЛ могут нарушить процесс захвата нейтронов во время распада и уменьшить количество 107Ag и 109Ag. Эти новые результаты скорректированы с учетом помех от ГКЛ путем подсчета изотопов платины.

"Наши дополнительные измерения изотопного изобилия платины позволили нам скорректировать измерения изотопов серебра с учетом искажений, вызванных космическим облучением образцов в космосе. Таким образом, мы смогли определить время столкновений более точно, чем когда-либо прежде", - сообщил Хант.

"И к нашему удивлению, все исследованные нами астероидные ядра были облучены почти одновременно, в промежутке времени от 7,8 до 11,7 миллионов лет после образования Солнечной системы", - сказал Хант.

В астрономии промежуток времени в 4 миллиона лет является коротким. За этот короткий период у всех измеренных астероидов обнажилось ядро, то есть столкновения с другими объектами лишили их мантии. Без изолирующей оболочки ядра охлаждались одновременно.

Другие исследования показали, что охлаждение было быстрым, но они не смогли так четко определить временные рамки.

Чтобы астероиды имели такое соотношение изотопов, которое обнаружила команда, Солнечная система должна была быть очень хаотичным местом, с периодом частых столкновений, которые лишили астероиды мантии.

"Похоже, что в то время все разбивалось вместе", - говорит Хант. "И мы хотели узнать, почему", - добавляет она.

Почему возник период таких хаотичных столкновений? Есть несколько вариантов, говорится в статье.

Первая возможность связана с гигантскими планетами Солнечной системы. Если они мигрировали или были как-то нестабильны в то время, они могли реорганизовать внутреннюю Солнечную систему, нарушить движение малых тел, таких как астероиды, и вызвать период усиления столкновений. Этот сценарий называется моделью Ниццы.

Другая возможность - это затягивание газа в солнечную туманность.

Когда Солнце было протозвездой, его, как и другие звезды, окружало облако газа и пыли, называемое солнечной туманностью. В этом диске находились астероиды, и со временем там же образовались планеты. Но в первые несколько миллионов лет существования Солнечной системы диск изменился.

Сначала газ был плотным, что замедляло движение таких объектов, как астероиды и планетезимали, за счет газового сопротивления. Но по мере того, как Солнце разгоралось, оно производило больше солнечного ветра и радиации.

Солнечная туманность все еще была там, но солнечный ветер и излучение давили на нее, рассеивая ее. По мере рассеивания она становилась менее плотной, и сопротивление объектов уменьшалось.

Без амортизирующего эффекта плотного газа астероиды ускорялись и чаще сталкивались друг с другом.

По мнению Хант и ее коллег, именно уменьшение сопротивления газа является причиной этого.

"Теория, которая лучше всего объясняла эту энергичную раннюю фазу Солнечной системы, указывала, что она была вызвана в первую очередь рассеиванием так называемой солнечной туманности", - пояснила соавтор исследования Мария Шёнбехлер.

"Солнечная туманность - это остатки газа, оставшегося от космического облака, из которого родилось Солнце. В течение нескольких миллионов лет она вращалась вокруг молодого Солнца, пока не была сдута солнечными ветрами и радиацией", - сказала Шёнбехлер.

"Наша работа иллюстрирует, как усовершенствование методов лабораторных измерений позволяет нам сделать вывод о ключевых процессах, происходивших в ранней Солнечной системе - например, о вероятном времени, к которому исчезла солнечная туманность. В то время планеты, подобные Земле, еще находились в процессе зарождения. В конечном итоге это может помочь нам лучше понять, как рождались наши собственные планеты, а также дать нам представление о других планетах за пределами нашей Солнечной системы", - заключил Шёнбехлер.