Согласно наиболее широко распространенной научной теории, наша Солнечная система образовалась из туманности пыли и газа примерно 4,56 миллиарда лет назад (так называемая теория туманности). Это началось, когда туманность испытала гравитационный коллапс в центре, в результате чего материал под огромным давлением расплавился и образовалось Солнце. Со временем оставшийся материал превратился в расширенный диск вокруг Солнца, постепенно срастаясь, образуя планетезимали, которые со временем становились больше. Эти планетезимали в конечном итоге достигли гидростатического равновесия, превратившись в сферические тела, образовав Землю и ее спутников.
Основываясь на современных наблюдениях и моделировании, исследователи пытались понять, какими были условия формирования этих планетезималей. В новом исследовании геологи из Калифорнийского технологического института (Калтех) объединили данные о метеоритах с термодинамическим моделированием, чтобы лучше понять, что вошло в эти тела, из которых сформировались Земля и другие внутренние планеты. Согласно их результатам, самые ранние планетезимали сформировались в присутствии воды, что не согласуется с современными астрофизическими моделями ранней Солнечной системы.
Исследование проводилось в лаборатории Пола Азимоу, профессора геологии и геохимии Элеоноры и Джона Р. Макмиллана в Калифорнийском технологическом институте. Команду возглавил доцент Даманвир Гревал, руководитель лаборатории CosmoGeo в Университете штата Аризона (ASU) и бывший научный сотрудник отдела геологических и планетарных наук Калифорнийского технологического института. К Гревалу и Азимову присоединились ученые-планетологи из Массачусетского технологического института (MIT), Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) и Университета Райса.
Гревал и его коллеги специализируются на изучении химических свойств железных метеоритов с целью сбора информации о ранней Солнечной системе. Эти метеориты являются остатками металлических ядер первых планетезималей, которые не образовали планету и продолжают вращаться по орбите внутри нашей Солнечной системы сегодня. В течение многих эпох некоторые из этих объектов падали в гравитационный колодец Земли и в конечном итоге рухнули на поверхность. Химический состав этих метеоритов представляет особый интерес, поскольку он многое говорит об окружающей среде, в которой они образовались.
Во-первых, состав планетезималей может показать, образовались ли они (и Земля) ближе к Солнцу или дальше от него. Если бы первый сценарий был правдой, более прохладные условия позволили бы Земле сохранить водяной лед в качестве строительного блока. Если последнее верно, Земля образовалась бы сухой и получила бы воду каким-то другим способом позже, что и предполагают современные астрофизические модели. Согласно этим моделям, вода была доставлена во внутреннюю часть Солнечной системы через кометы и астероиды миллиарды лет назад, в период, известный как Поздняя тяжелая бомбардировка.
Хотя в этих метеоритах больше нет воды, ученые могут сделать вывод о ее существовании по присутствию других элементов. К ним относится оксид железа (FeO), который возникает при окислении железа под воздействием воды. Достаточный избыток воды будет стимулировать процесс дальше, создавая оксид железа (Fe2O3) и оксигидроксид железа, или FeO(OH) – ингредиенты ржавчины. Хотя самые ранние планетезимали давно потеряли бы все следы оксида железа, Гревал и его команда смогли определить, сколько его присутствовало, исследуя содержание металлического никеля, кобальта и железа в этих метеоритах.
Эти три элемента должны присутствовать примерно в равных соотношениях по отношению к другим материалам в метеорите, а это означает, что любое «недостающее» железо будет истощено в результате окисления. Как объяснил Азимов в пресс-релизе Калифорнийского технологического института:
«Железные метеориты в некоторой степени игнорируются сообществом, занимающимся формированием планет, но они представляют собой богатые хранилища информации о самом раннем периоде истории Солнечной системы, как только вы научитесь читать сигналы. Разница между тем, что мы измерили в метеоритах внутренней Солнечной системы, и тем, что мы ожидали, предполагает, что активность кислорода примерно в 10 000 раз выше».
Результаты команды показывают, что в метеоритах, предположительно возникших из внутренней части Солнечной системы, было примерно такое же количество недостающего железа, как и в метеоритах из внешней части Солнечной системы. Это говорит о том, что обе группы образовались в той части Солнечной системы, где условия были достаточно прохладными для воды. Это также означает, что планеты с самого начала аккумулировали воду, что может иметь глубокие последствия для теорий о том, как возникла жизнь на Земле. «Если вода присутствовала в ранних строительных блоках нашей планеты, то, вероятно, присутствовали и другие важные элементы, такие как углерод и азот», — сказал Гревал. «Ингредиенты жизни могли присутствовать в семенах каменистых планет с самого начала».
Это представляет собой серьезную проблему для наших текущих моделей формирования и развития Солнечной системы, что может указывать на то, что условия в ранней внутренней части Солнечной системы были намного прохладнее, чем считалось ранее. Результаты также могут означать, что Земля и другие каменистые планеты образовались дальше от Солнца и постепенно мигрировали на свои нынешние орбиты. Однако, как признал Азимоу, существует определенная степень неопределенности, когда дело доходит до изучения древних планетезималей, а это означает, что результаты могут не противоречить современным астрофизическим моделям:
«Однако этот метод обнаруживает только воду, которая была израсходована при окислении железа. Он не чувствителен к избытку воды, которая может впоследствии сформировать океан. Таким образом, выводы этого исследования согласуются с моделями аккреции Земли, которые требуют позднего добавления еще более богатого водой материала».
Их исследование под названием «Аккреция самых ранних планетезималей внутренней Солнечной системы за пределами водной снеговой линии» недавно появилось в Природа Астрономия. Их исследование стало возможным отчасти благодаря финансированию, предоставленному НАСА, а также благодаря постдокторской стипендии Фонда Барра.
Дальнейшее чтение: Калтех, Природа Астрономия
