В молодой Солнечной системе льда было много, но первые миры зарождались без него

Фото из открытых источников

Железные метеориты показывают, что первые тела ранней Солнечной системы на 83–92% состояли из сухой породы, а вода появилась миллионы лет спустя. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Astronomy.

Вдали от Солнца, в ранней внешней части Солнечной системы, льда было предостаточно. Однако первые образовавшиеся там твердые тела содержали его очень мало. Даманвир Гревал и его коллеги оценили долю ледяной пыли в этих телах в 8–17% от их общего состава.

Им пришлось восстанавливать это с помощью химических расчетов, потому что сами тела растаяли давным-давно. Таким образом, лед был доступен с самого начала, но он не стал основным компонентом твердых тел еще пару миллионов лет.

«Наша работа показывает, что этот процесс сборки с самого начала был удивительно избирательным», — сказал Гревал.

Тела, формирующиеся во внешней части диска, были собраны из двух типов материала. Один из них — мелкая пыль, которая оставалась холодной, неся в себе водяной лед и органические молекулы. Ученые называют ее матрицей.

Другой тип — это порода, которая нагревалась до расплавления, а затем охлаждалась, превращаясь в круглые бусинки размером примерно с песчинку. Большая часть воды и других легко испаряющихся веществ была удалена. Эти бусинки — хондры, и хондриты названы в их честь.

Исследователи уже много лет наблюдают закономерность в этих примитивных метеоритах. Родительские тела, которые объединились позже, содержат больше матрицы и меньше хондр, причем доля матрицы варьируется от примерно 30% до почти всей матрицы в том порядке, в котором они образовались.

Что-то в диске сортировало эти два типа частиц, отдавая предпочтение компактным бусинкам. Происходило ли это уже в первый миллион лет, никто не мог проверить.

Из того первого миллиона лет ничего не сохранилось в целости. У тех тел была проблема, которой не было у более поздних: алюминий-26, радиоактивная форма алюминия, которая всё ещё была в большом количестве и всё ещё выделяла тепло.

Эти тела нагрелись настолько, что расплавились насквозь. Металл опустился к центру, образовав ядро, и вместе с ним исчезли все следы первоначальных зерен.

От них остались лишь железные метеориты, фрагменты их ядер. Внешняя часть Солнечной системы представляет собой выборку тел, которые соединились в течение примерно миллиона лет после образования самых древних твердых тел системы.

Таким образом, запись существует, но не в той форме, в которой кто-либо может с ней ознакомиться.

Команда Гревала работала, исходя из химического состава металла. Первым индикатором была сера, которая в хондритах почти вся находится в матрице, поэтому исходное содержание серы в теле позволяет оценить, сколько матрицы в него вошло.

Первоначальный состав серы проявляется в том, как другие металлы ядра разделились в процессе кристаллизации. Вторым индикатором является степень окисления железа, которая показывает, сколько водяного льда и уже окисленной пыли поглотило тело.

Оба объекта попали в один и тот же узкий диапазон. Матрица составляла от 8% до 17% этих тел, что меньше, чем у любого когда-либо измеренного хондрита, а значит, от 83% до 92% приходилось на хондры.

Гревала спросили, что больше всего его удивило в этой цифре. «Совпадение значений двух индикаторов, — сказал он. — Содержание серы и степень окисления железа химически никак не связаны друг с другом, но независимо друг от друга они сходятся в одном и том же узком диапазоне».

Ранее исследовательские группы изучали эти объекты с помощью изотопов, унаследованных от облака, из которого образовалась Солнечная система. Они оценили содержание матричного материала в диапазоне от 25% до 97%, что достаточно высоко, чтобы предположить, что сортировка еще не началась.

«Этот пробел говорит нам о том, что нуклеосинтетические признаки не позволяют отличить истинную матрицу от матричноподобного материала, унаследованного хондрами», — сказал Гревал. Изотопы показывают, откуда произошло зерно. Они не показывают, было ли оно когда-либо расплавлено.

Меньшее значение также проясняет одну странность, связанную с железными метеоритами. Богатые матрицей тела, которые расплавились, должны были оставить ядра, содержащие от 20% до 35% серы, а ни один из метеоритов внешней Солнечной системы не приближается к этому показателю, он составляет менее 10%.

Ядра, богатые серой, существуют, но только среди тел из внутренней части Солнечной системы. Только самые сухие и ранние тела содержали достаточно алюминия-26, чтобы вообще расплавиться.

Таким образом, вода образовалась позже. Гревал сказал, что богатый льдом материал «стал значимым строительным блоком в планетезималах, сформировавшихся позже, через два-четыре миллиона лет после возникновения Солнечной системы», и что сырье для воды на Земле «с самого начала не формировалось в твердые тела».

Авторы указывают на два предельных значения этого числа. Диапазон значений основан на данных по чистой матрице и чистому хондральному материалу, взятым из хондритов, поэтому самые древние тела сравниваются с более молодыми. И возраст является относительным, а не абсолютным: порядок образования этих тел установлен, а вот годы между ними — гораздо менее определённы.

Одна группа совершенно не вписывается в общую картину. CR-хондриты сформировались поздно, примерно через 3,7 миллиона лет, и до сих пор содержат лишь около 17% матрицы. Авторы помещают их в отдельный карман диска со своей собственной динамикой.

По их мнению, вся эта последовательность событий разворачивалась внутри одной долговечной пылеуловительной структуры — кольца, где скапливались твердые частицы.

В коллекциях метеоритов старые хондры встречаются редко, что было истолковано как признак того, что их образование началось медленно. Если бы самые ранние метеориты состояли на 83–92% из хондр, то эта интерпретация была бы неверной.

«Хондрулы присутствуют в химическом составе, несмотря на то, что плавление уничтожило все следы, которые можно было увидеть под микроскопом», — сказал Гревал. Ранние хондры вошли в состав тел, которые расплавились. Более поздние — в состав тел, которые не расплавились, и именно они хранятся в музейных ящиках.

Как вообще образовались хондры — один из старейших нерешенных вопросов в планетологии, сказал Гревал, и эта работа не дает на него ответа. Она лишь уточняет хронологию. Что бы это ни было, этот процесс уже шел в полную силу до того, как собрались первые небесные тела.

Остается открытым вопрос, используется ли тот же метод сортировки, что и во внутренней части Солнечной системы. Группа Гревала сейчас расширяет этот метод на железные метеориты из этой половины диска.