Давайте начнем с самого начала. До людей, до Земли, до того, как существовала какая-либо из планет, существовали планеты зародыши - планетезимали. Слипшиеся из пыли из взорвавшейся Солнечной туманности, эти клочки материала имели диаметр всего несколько километров. Вскоре за счет гравитации они сформировались в скалистые планеты в самой внутренней части Солнечной системы, скрывая подробности зарождения первичных планет.
Их таинственная идентичность осложняется тем фактом, что Меркурий, Венера, Земля и Марс имеют различный химический состав. Подобно блендеру, смешивающему ингредиенты в торте, Земля претерпела некоторую перестройку, в основном из-за вулканизма и тектоники плит, которые перемещают элементы внутрь и наружу, что еще больше затеняет информацию о том, какими могли быть исходные ингредиенты, и их пропорциями.
Теперь пара ученых из Массачусетского технологического института из Отделения наук о Земле, Атмосфере и Планете (EAPS) раскрыла некоторую ключевую информацию об этих планетезималах, воссоздав в лаборатории первую магмы, которую эти объекты могли произвести в младенчестве Солнечной системы. И, оказывается, есть физические доказательства этих магм в метеоритах, что добавляет подтверждение их утверждениям.
«Такое формирование и дифференциация этих планетезималей является своего рода важным шагом в создании внутренних планет земной группы, и мы действительно только начинаем раскрывать эту историю», - говорит профессор геологии Р.Р. Шрок Тимоти Гроув, старший автор исследования.
Метеоритная головоломка
Крошечные доказательства существования планетарных строительных блоков Солнечной системы существуют и по сей день в метеоритах, которые подразделяются на две основные категории. Хондриты сделаны из оригинального материала и являются наиболее распространенным типом. Ахондриты происходят из родительских тел, которые претерпели какие-то изменения, и понимание этих изменений помогает объяснить процессы, которые образуют планеты.
Урейлиты, вторая по численности группа ахондритов, были первоначальным объектом этого исследования. Но исследователи быстро поняли, что их результаты могут быть применены и в других местах.
Благодаря серии экспериментов, направленных на исправление ошибок в прошлых методиках, Гроув и ведущий автор Макс Коллинет использовали новый подход.
«Мы действительно пришли из желания понять кое-что о небольшой группе метеоритов, которая может показаться многим людям непонятной», - говорит Коллинет. «Но затем, когда мы провели эти эксперименты, мы поняли, что сплавы, которые мы производим, имеют большое значение для многих других планетарных строительных блоков».
Это включает в себя происхождение наиболее распространенного типа ахондритных метеоритов, называемых эвкритами, предположительно происходящих из Весты, второго по величине тела в Поясе астероидов. Это произошло потому, что в 1970 году исследователь из Массачусетского технологического института обнаружил, что Веста была сделана из того же типа базальтовой породы.
«У нас были все эти базальтовые породы лавы с поверхности Весты, и в основном все предполагали, что именно так все происходит, когда вы плавите эти тела», - объясняет Гроув. Но недавно другие исследования опровергли эту гипотезу, оставив вопрос: какие самые ранние сплавы образовались в планетезималах?
Создание крошечных планет
«Мы поняли, что на самом деле мы вообще не знали, каков был состав тех первых магм, которые были получены в любой планетезимальной плоскости, не говоря уже о той, которая нас интересовала - родительском теле уреилитов», - говорит Коллинет о результатах новых экспериментальных методов.
В прошлых исследованиях, используя типичную экспериментальную установку «открытой системы», которая поддерживала низкие уровни кислорода, ожидаемые внутри планетезималей, многие из высокореактивных щелочных элементов натрия и калия могли вырваться.
Гроуву и Коллинету пришлось работать вместе, чтобы провести эксперименты с использованием уникального устройства в Массачусетском технологическом институте, которое удерживало систему «закрытой» и сохраняло все щелочи. Они загрузили крошечную металлическую капсулу площадью несколько миллиметров с теми же химическими элементами, которые могли присутствовать в планетезимале, и подвергли ее воздействию низких температур кислорода, температур плавления камней и давления, ожидаемых во внутренних частях относительно небольших тел. Как только эти условия были соблюдены, магма образца была заморожена путем «удара» машины гаечным ключом, чтобы гарантировать, что их капсула высвободилась, быстро опустившись до комнатной температуры.
Анализировать магму, охлажденную в стакан, было сложно. Поскольку они ожидали начала таяния, пулы внутри образцов были довольно маленькими. Потребовалось несколько корректировок в их процедурах, чтобы собрать все крошечные пулы в один большой карман. Как только они смогли измерить образцы, пара была шокирована последствиями того, что они нашли.
«Мы понятия не имели, что собираемся получить. Это было совершенно неожиданно», - удивляется Гроув. «Этот материал» представлял собой богатый щелочами гранит - светлую, богатую кремнеземами композицию, которую вы можете увидеть на кухонной столешнице.
«Коллинет и Гроув показывают, что предыдущие представления о составах самых ранних сплавов в нашей Солнечной системе, возможно, были неверными, поскольку запись ранних процессов была скрыта геологической деятельностью», - говорит Кирена Гудрич, старший научный сотрудник Лунного и планетарного института Ассоциации космических исследований университетов, который не принимал участия в исследованиях. «Эти результаты будут иметь применение к широкому кругу тем в геологии и планетарных науках, и будут существенно влиять на будущую работу».
Эти удивительные результаты почти совпадают со сплавами, измеренными во многих образцах природных метеоритов. Кроме того, пара узнала кое-что о таинственных щелочах, отсутствующих на скалистых планетах, и различиях между Землей, Марсом, Венерой и Меркурием.
Переосмысление начала
Ранее предполагалось, что различия между планетами земного типа возникли во время первоначального рассеяния элементов в Солнечной туманности и связаны с тем, как эти элементы конденсировались из газов в твердое тело.
«Теперь у нас есть другой путь», - говорит Гроув. Поскольку в сплавах содержится много щелочей, для удаления остаточных планетезималей, обедненных калием и натрием, потребуется лишь какой-то метод удаления сплава.
Следующим шагом будет определение того, как эти сплавы могут быть извлечены из внутренних частей планетезималей, учитывая, что движущие силы движения магмы на Земле, вероятно, не будут одинаковыми в этих планетарных телах. Фактически, миграция элементов на ранних планетах, такая как образование металлических ядер, является большой областью неизвестности, которую пара ученых стремится продолжить исследовать.
Из-за невозможности наблюдать, что на самом деле произошло при создании Солнечной системы, сюрпризы, выявленные в этом исследовании, являются значительным шагом. «Мы привносим новые подсказки в то, как туманность создала эти тела», - резюмирует Коллинет, который в настоящее время является постдоком в Германии, работая над пониманием слоев под внешней корой Марса. Из крошечной капсулы в лаборатории в кампусе Массачусетского технологического института или микроскопической капли сплава в метеорите можно получить представление о рождении огромной планеты.