Полученные 20 лет назад частицы кометной пыли до сих пор озадачивают учёных

Фото из открытых источников

Расплавленные частицы кометной пыли, обнаруженные в ходе миссии НАСА Stardust, не соответствуют ни одному известному метеориту и, вероятно, образовались далеко от Солнца, возможно, среди льда. Результаты исследования были опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Кометы образовались в холодной, внешней части Солнечной системы, но при этом несут в себе мельчайшие частицы породы, которые когда-то были расплавлены. Долгие годы ученые считали эти частицы «гостями», прилетевшими из более близких к Солнцу мест, где образовались родительские тела метеоритов. Новое исследование пыли, доставленной НАСА с кометы 81P/Wild 2, предполагает обратное.

Крошечные кусочки расплавленной породы, собранные с кометы Wild 2, имеют химический состав, не похожий ни на один из известных наборов метеоритов. Вероятно, они образовались дальше от Солнца, в условиях, которые могли быть богаты льдом. Если это так, то расплавленная порода могла образоваться в местах, которые когда-то считались слишком холодными для этого.

Минмин Чжан из Университета Висконсина в Мэдисоне руководил работой вместе со своими коллегами из этого же университета и Вашингтонского университета. Он сосредоточился на пыли от единственного удара в коллекторе космического аппарата, крошечном фрагменте одной из комет.

Многие метеориты полны крошечных каменных бусинок, большинство из которых имеют размер менее 1 миллиметра. Каждая из них образовалась из горячей капли около 4,5 миллиарда лет назад, прежде чем остыла и была унесена пылью, из которой сформировались каменистые астероиды. Ученые называют эти бусинки хондрами.

«Никто не знает, какие энергетические события привели к образованию хондр», — сказал Чжан.

В 2004 году космический аппарат НАСА Stardust пролетел мимо кометы Wild 2 и доставил её пыль на Землю в 2006 году. Частицы столкнулись с блоком аэрогеля со скоростью около 6,1 километра в секунду. Аэрогель — это чрезвычайно лёгкая, стекловидная пена, созданная для бережного улавливания частиц, поэтому каждая из них замедлялась и оставляла за собой длинный туннель в форме моркови.

Исследуя один из самых больших туннелей, длиной около 17 миллиметров, команда извлекла 98 фрагментов. Почти половина из них представляла собой обломки хондр или были очень похожи на них, что является самым высоким показателем среди всех туннелей «Звездной пыли» на данный момент.

По словам Чжана, ученые и раньше находили хондры в кометах. Однако команда показала, что эти хондры произошли из неопознанного источника, а не представляли собой случайную смесь материала, выброшенного из области астероида.

В качестве теста использовался кислород. Атомы кислорода бывают трех весовых категорий. Соотношение легких и тяжелых атомов в минерале зависит от того, в какой точке молодой Солнечной системы он образовался, поэтому это работает как обратный адрес.

В период с 2021 по 2025 год команда провела 273 измерения содержания кислорода во фрагментах. Полученные данные они сравнили с тем, сколько железа в каждом зерне было связано с кислородом, что является показателем условий его образования.

Примерно 9 из 10 фрагментов имели структуру, не характерную для хондр из любой известной группы метеоритов. Остальные были богаты железом и бедны самым легким кислородом — сочетание, отсутствующее в каждой из известных групп метеоритов. Когда исследователи попытались смешать хондры из этих групп в разных количествах, ни одна смесь не воспроизвела наблюдаемый ими результат.

Самым большим сюрпризом, как рассказал Чжан, стало то, что обнаруженные зерна указывают на «ранее неидентифицированный резервуар хондр в богатых льдом регионах Солнечной системы».

Около 60% фрагментов состояли из зерен, богатых железом. В метеоритах, богатых углеродом, эти зерна наиболее похожи: менее 1 из 10 хондр содержит такое количество железа.

Такое большое количество окисленного железа указывает на то, что зерна образовались там, где кислород был легкодоступен. Во внешней части Солнечной системы основным поставщиком был водяной лед, и данные команды соответствуют месту, где пыли и льда было в изобилии.

По всей видимости, лед на комете так и не растаял. Во многих частицах все еще сохранилось стекловидное вещество, которое быстро разрушается жидкой водой, и они практически не имеют признаков контакта с водой.

Это отличает комету Wild 2 от астероидов Рюгу и Бенну, образцы которых содержат гораздо больше частиц, образовавшихся ближе всего к молодому Солнцу. Авторы интерпретируют этот разрыв как свидетельство против тесной родственной связи между кометой и этими астероидами.

Один из фрагментов содержал достаточное количество быстро исчезающей радиоактивной формы алюминия, чтобы определить его возраст. Он затвердел примерно через 2,7 миллиона лет после образования первых твердых тел в Солнечной системе.

В более ранних фрагментах «Звездной пыли» не осталось никаких обнаруживаемых следов этого вещества, что позволяет предположить, что они образовались по меньшей мере через 3-4 миллиона лет после появления первых твердых частиц. Обе даты относятся к концу первых нескольких миллионов лет существования Солнечной системы.

К тому времени пыли, перемещающейся из внутренних областей Солнечной системы, стало меньше. Остается загадка: что же наполнило холодную внешнюю область достаточным количеством пыли и тепла, чтобы расплавить её?

Авторы описывают несколько возможных вариантов. Ледяные тела могли столкнуться друг с другом со скоростью от 3 до 5 километров в секунду, возможно, сбився с курса по мере движения гигантских планет. Молнии или ударные волны вокруг быстро движущегося тела также могли растопить пыль в местах ее скопления. Они не отдают предпочтение ни одному из них.

Механизм нагрева, при котором расплавились эти зерна, до сих пор неизвестен, и авторы указывают его как открытую проблему для будущих исследований. Фрагменты образовались в одном туннеле. Вместе они составляют менее одной десятой части частицы, из которой они образовались, а её масса составляла всего около пяти миллионных долей грамма.

Чжан сказал, что измерения других элементов, таких как хром и титан, помогут определить место образования зерен. Однако для этих анализов исследователям необходимо растворить образец, а Stardust не привез достаточно пыли, чтобы оставить ее в запасе.

На данный момент измерение содержания кислорода на месте, которое требует гораздо меньше материала, является наиболее практичным инструментом. Чжан сказал, что эти ограничения подчеркивают важность получения гораздо большего количества материала с кометы.