Tajemnicza dziura w dysku protoplanetarnym Układu Słonecznego

Naukowcy znaleźli dowody na to, że wczesny Układ Słoneczny posiadał lukę między obszarami wewnętrznymi i zewnętrznymi.

Kosmiczna granica, prawdopodobnie spowodowana przez młodego człowieka Jowisz Albo pojawiający się wiatr, który prawdopodobnie ukształtował powstawanie mniejszych planet.

We wczesnym Układzie Słonecznym „dysk protoplanetarny” z pyłu i gazu krążył wokół Słońca i ostatecznie złączył się w planety, które znamy dzisiaj.

Nowa analiza starożytnych meteorytów przez naukowców w Z Gdzie indziej zgłaszają tajemniczą przerwę w tym dysku około 4,567 miliarda lat temu, w pobliżu miejsca, w którym obecnie znajduje się pas asteroid.

Wyniki zespołu zostały opublikowane 15 października 2021 r. o godz postęp naukowy, przedstawić bezpośrednie dowody tej luki.

„W ciągu ostatniej dekady obserwacje wykazały, że wnęki, luki i pierścienie są powszechne w dyskach wokół innych młodych gwiazd” – mówi Benjamin Weiss, profesor nauk planetarnych na Wydziale Nauk o Ziemi, Atmosfery i Planetarnej (EAPS) w MIT. „Są to ważne, ale słabo poznane sygnały procesów fizycznych, dzięki którym gaz i pył przekształcają się w Słońce i młode planety”.

Podobnie, przyczyna tej luki w naszym Układzie Słonecznym pozostaje tajemnicą. Jedną z możliwości jest to, że Jowisz mógł mieć wpływ. Kiedy uformował się gazowy gigant, jego ogromna grawitacja wypchnęła gaz i pył w kierunku krawędzi, pozostawiając dziurę w rozwijającym się dysku.

Inne wyjaśnienie może mieć związek z wiatrem wydobywającym się z powierzchni dysku. Wczesne systemy planetarne podlegają silnym polom magnetycznym. Kiedy te pola wchodzą w interakcję z wirującym dyskiem gazu i pyłu, mogą wytwarzać wiatry wystarczająco silne, aby wydmuchać materiał, pozostawiając ziejącą dziurę w dysku.

Niezależnie od swojego pochodzenia, luka we wczesnym Układzie Słonecznym prawdopodobnie służyła jako kosmiczna granica, zapobiegając interakcji materii po obu jego stronach. Ta fizyczna separacja mogła ukształtować formowanie się planet Układu Słonecznego. Na przykład po wewnętrznej stronie szczeliny gaz i pył zjednoczyły się jako planety ziemskie, w tym Ziemia i Mars, podczas gdy gaz i pył opadły na drugą stronę luki utworzonej w lodowych regionach, takich jak Jowisz i sąsiadujące z nim gazowe olbrzymy.

„Bardzo trudno jest przekroczyć tę lukę, a planeta potrzebowałaby dużego zewnętrznego momentu obrotowego i pędu” – mówi główny autor i absolwent EAPS, Kawi Borlina. „Dostarcza to więc dowodów na to, że formowanie się naszych planet ograniczało się do określonych regionów we wczesnym Układzie Słonecznym”.

Współautorami są Weiss i Burlina Eduardo Lima, Nilanjan Chatterjee i Elias Mansbach z Massachusetts Institute of Technology. James Bryson z Uniwersytetu Oksfordzkiego; i Xue-Ning Bai z Uniwersytetu Tsinghua.

podzielone w przestrzeni

W ciągu ostatniej dekady naukowcy zaobserwowali dziwny podział w składzie meteorytów, które dotarły na Ziemię. Te kosmiczne skały zostały pierwotnie utworzone w różnych czasach i miejscach, kiedy formował się Układ Słoneczny. Analizie poddano jedną z dwóch grup izotopów. Rzadko odkryto meteoryty wykazujące oba te zjawiska – tajemnica znana jako „rozszczepienie izotopowe”.

Naukowcy zasugerowali, że podział ten może być wynikiem luki w dysku wczesnego Układu Słonecznego, ale ta luka nie została bezpośrednio potwierdzona.

Grupa Weissa analizuje meteoryty pod kątem śladów dawnych pól magnetycznych. Kiedy tworzy się nowy układ planetarny, niesie ze sobą pole magnetyczne, którego siła i kierunek mogą się zmieniać w zależności od różnych procesów zachodzących w ewoluującym dysku. Kiedy stary kurz zbiera się w granulki znane jako chrząstka, elektrony w chrząstce dopasowują się do pola magnetycznego, w którym powstały.

Chondrule mogą być mniejsze niż średnica ludzkiego włosa i można je znaleźć w dzisiejszych meteorytach. Grupa Weissa specjalizuje się w pomiarach chrząstek w celu określenia starożytnych pól magnetycznych, w których pierwotnie się uformowały.

W poprzednich pracach grupa przeanalizowała próbki z jednej z dwóch grup izotopowych meteorytów, znanych jako meteoryty niewęglowe. Uważa się, że skały te powstały w „zbiorniku” lub regionie wczesnego Układu Słonecznego, stosunkowo blisko Słońca. Grupa Weissa wcześniej zidentyfikowała pradawne pole magnetyczne w próbkach z tego pobliskiego regionu.

Niezgodność meteorów

W swoim nowym badaniu naukowcy zastanawiali się, czy pole magnetyczne będzie takie samo w drugiej grupie izotopów „węglowych” meteorytów, które, na podstawie ich składu izotopowego, uważa się za pochodzące z dalszej części Układu Słonecznego.

Przeanalizowali chrząstki, każda o wymiarach około 100 mikronów, z dwóch meteorytów węglowych odkrytych na Antarktydzie. Używając superprzewodzącego interferometru kwantowego (SQUID), mikroskopu o wysokiej rozdzielczości w laboratorium Weissa, zespół określił pierwotne, pradawne pole magnetyczne każdego chondruli.

Co zaskakujące, odkryli, że ich siła pola była silniejsza niż w przypadku najbliższych meteorytów niewęglanowych, które wcześniej zmierzyli. W miarę kształtowania się nowoczesnych układów planetarnych naukowcy przewidują, że siła pola magnetycznego powinna zanikać wraz z odległością od Słońca.

W przeciwieństwie do tego Borlina i współpracownicy odkryli, że dystalne chrząstki mają silniejsze pole magnetyczne, około 100 μT, w porównaniu z polem 50 μT w proksymalnej chrząstce. Dla porównania, dzisiejsze pole magnetyczne Ziemi wynosi około 50 mikrotesli.

Pole magnetyczne układu planetarnego jest miarą jego tempa akrecji, czyli ilości gazu i pyłu, jaką może z czasem przyciągać do swojego środka. Opierając się na polu magnetycznym menisku węglanowego, zewnętrzny obszar Układu Słonecznego musiał akumulować znacznie większą masę niż obszar wewnętrzny.

Wykorzystując modele do symulacji różnych scenariuszy, zespół doszedł do wniosku, że najbardziej prawdopodobnym wyjaśnieniem niedopasowania tempa akrecji jest luka między regionami wewnętrznymi i zewnętrznymi, która może zmniejszyć ilość gazu i pyłu płynącego w kierunku Słońca z regionów zewnętrznych.

„Czapki są powszechne w układach protoplanetarnych, a teraz pokazujemy, że mamy je w naszym własnym układzie słonecznym” – mówi Borlina. „To daje odpowiedź na ten dziwny podział, który widzimy w meteorytach, i dostarcza dowodów na to, że wnęki wpływają na formowanie się planet”.

Odniesienie: „Palaeomagnetic Evidence for a Disk Infrastructure in the Early Solar System” Cauê S. Borlina, Benjamin P. Weissa, James FJ Bryson, Xue-Ning Bai, Eduardo A. Lima, Nilanjan Chatterjee i Elias N. Mansbach, październik 15, 2021 , postęp naukowy.
DOI: 10.1126 / sciadv.abj6928

Badania te były częściowo wspierane przez: NASAoraz Narodowa Fundacja Nauki.