Hvordan meteoritter omskriver solsystemets historie

Der er mange teorier om, hvordan dynamik i det tidlige solsystem førte til det kosmiske kvarter, vi nu beboer, men ud over computersimuleringer er direkte bevis for at støtte dem svært at komme forbi – det er her meteoritter kommer ind

Følgende er et uddrag fra vores månedlige Launchpad -nyhedsbrev, der udforsker solsystemet og videre. Du kan tilmelde dig Launchpad gratis her.

Der er ikke noget bedre sted at begynde at forklare, hvad der så fascinerer mig om meteoritter end Winston Churchills Fish Pond. Churchill boede i mange år i et storslået gammelt hus kaldet Chartwell, som tilfældigvis er tæt på mit hjem. Ejendommen og dens elegante grunde er nu åbne for offentligheden, så jeg tager ofte mine børn der for et løb rundt, og vi holder altid pause for at kaste en mønt eller to i dammen, en tradition utallige besøgende har fortsat gennem årene.

Hvad har det at gøre med meteoritter? Nå, fiskene er fanget i vandet, med kun en svag opfattelse af den brede verden, der ligger ud over. Alligevel kastes en artefakt fra denne vidde ovenfor i deres verden, som, hvis fisken kunne læse den, ville give en anelse til den menneskelige civilisation. Ofte, når jeg står ved dammen med mine drenge, tror jeg, at vi ikke er så forskellige fra fisken. Begrænset til Jorden kan vi se på rummet med teleskoper, men vi får en ufuldkommen udsigt. Alligevel får vi lejlighedsvis en messenger fra rummet, der er faldet ned i vores midte.

Jeg begyndte først at tænke over dette for mange år siden, og det førte mig til at skrive min bog Meteoritjægere. Den første del af bogen fortæller de utrolige historier om eventyrerne og forskerne, der jager meteoritter ved at skure vilde ørkener, antarktiske isark og endda tagene i Oslo, Norge. Den anden del undersøger, hvordan de hemmeligheder, vi har læst fra disse udenjordiske skatte, hjælper med at skrive en ny historie om solsystemet – og det er det, jeg vil dele her.

Det, du har brug for at vide om solsystemet, er, at det er et pænt og ryddeligt sted: fire små stenede planeter tæt på solen og fire større gas længere væk – inklusive Jupiter, det største. I lang tid antog astronomer, at dette var den naturlige, normale måde at ting på, og at planeterne må have dannet, hvor de er nu. Når alt kommer til alt begyndte solsystemet som en enorm ring af støv og gas, der omkranser solen, og der ville have været en temperaturgradient, der stråler gennem ringen, der ville have bestemt, hvilke slags materialer der kunne have eksisteret som faste stoffer og glommet til planeter. ICES af forbindelser som brint og kuldioxid, der udgør gasgiganterne, kunne kun have overlevet i den koldere ydre rækkevidde, langt fra stjernen.

Men startende i midten af ​​1990’erne begyndte vi at observere andre planetariske systemer, hvor enorme gasplaneter kredsede i nærheden af ​​deres stjerne. Da ingen troede, at disse planeter kunne dannes i sådanne zoner, førte dette til en radikal idé: flytter kredsløbet af planeter?

For at skære til jagten tror de fleste astronomer nu, at de sandsynligvis gør det. Der er to hovedteorier om, hvordan dette kan have fungeret i vores eget solsystem. Den ene er kendt som den dejlige model, efter den franske by, hvor den blev udviklet. Den originale version siger, at de fire gasgiganter alle dannede sig tæt på hinanden, før de flytter fra hinanden i deres nuværende kredsløb. Den anden, kendt som Grand Tack -modellen, siger, at Jupiter meget tidligt i solsystemets historie, bevægede sig indad mod solen, før han svingede tilbage udad (eller “tacking”, for at bruge sejlsporten), hvor det er nu. Disse ideer var radikale på det tidspunkt, men de har fortjeneste, fordi de forklarer nogle af de underlige træk ved vores kosmiske hals i skoven. For eksempel er Mars usædvanligt lille, med ca. 10 procent jordmassen. Måske skyldes det, at da Jupiter svingte indad, sugede dens tyngdekraft alt det støv og gas, der ellers ville have fodret væksten af ​​den røde planet.

Problemet er, ud over at modellere disse ideer i computersimuleringer, det er svært at få nogen hårde beviser, der understøtter dem. Det er her meteoritter kommer ind.

Opdage den store dikotomi

For at forstå, hvad disse udenjordiske sten har at sige om solsystemets historie, skal vi først vide noget om isotoper. Alle atomer indeholder et vist antal subatomære partikler kaldet protoner og neutroner i deres kerne. Antallet af protoner bestemmer hvilket element du har: et til brint, seks til kulstof og så videre. Men atomer med det samme element kan have lidt forskellige antal neutroner, og disse versioner af et element kaldes isotoper. Forskellige naturlige processer betyder, at atomer får eller mister neutroner over tid, hvorfor arkæologer bruger isotoper til dato gamle knogler eller artefakter. Når det kommer til ekstremt gamle materialer, som meteoritter, kan deres balance mellem isotoper afsløre de miljøer, de har været udsat for gennem dyb tid.

I 2011 kiggede Paul Warren ved University of California, Los Angeles, på en række data om de mange isotoper i en lang række meteoritter. Han bemærkede et mønster: Det så ud til, at alle meteoritterne kunne tildeles en af ​​to grupper baseret på balancen i deres isotoper, hvor de mest diagnostiske var titanium, krom og ilt. Dette var den første sniff af et vigtigt resultat.

Hans arbejde fløj under radaren i et stykke tid, men det fik opmærksomheden fra Thorsten Kleine på Max Planck Institute for Solar System Research i Tyskland. Kleine og hans kolleger undersøgte yderligere og målte forekomsten af ​​andre isotoper i meteoritter. Når han kiggede specifikt på molybdæn, fandt han det samme mønster Warren havde identificeret: meteoritter sad i en af ​​to grupper baseret på deres molybdænisotoper. I praksis betyder det, at hvis du måler molybdæn -isotoperne i alle kendte meteoritter og plotte værdierne på en graf, får du to linjer. Enhver given meteorit passer til den ene eller den anden af ​​disse to linjer. Denne gang var splittelsen mere åbenlyst – og da molybdæn er til stede i næsten alle meteoritter, blev det snart klart, at hele partiet fulgte reglen. Disse to grupper blev kendt som de ikke-carbonaceous (NC) meteoritter (som er stenede og indeholder lidt kulstof eller fugt) og carbonaceous (CC) meteoritter (våd og fyldt med kulstofbaserede molekyler). Denne afdeling kaldes nu ”den store dikotomi”.

Så hvad betyder det? Nå, eksistensen af ​​denne dikotomi indikerer, at alle meteoritter oprindeligt blev dannet fra et af to separate reservoirer af støv og gas. Og sammensætningen af ​​meteoritterne i hver gruppe indikerer, at det ene reservoir var tættere på solen, den anden længere væk. Tænk på disse reservoirer som værende som et solsystemstørrelse Jammy Dodger (lidt som en Linzer-cookie, for dem, der ikke er bekendt): Du har et reservoir (The Jam) i midten og en anden (kiks) omkring den ydre kant. Hvad var det, der holdt disse to regioner med gas og støv fra at fusionere og blandes? ”Den eneste sandsynlige forklaring, vi kunne komme med på det tidspunkt, var en stor planet,” siger Thomas Kruijer, der tidligere arbejdede med Kleine og nu er baseret på Lawrence Livermore National Laboratory i Californien. ”Og Jupiter virkede som den bedste kandidat.”

Hvis Jupiter holdt disse to reservoirer fra hinanden, må det have eksisteret fra meget tidligt for at stoppe støvblandingen. I 2017 skrev Kruijer et papir, der eksplicit fremsatte dette argument og brugte den store dikotomi til dato for dannelsen af ​​Jupiter. I henhold til hans beregninger skal planeten være vokset til mindst tyve gange jordmassen – ikke dens fulde størrelse, men stadig heftige – inden for 1 million år efter fødslen af ​​solsystemet. Det var første gang, at dannelsen af ​​Jupiter nogensinde var blevet empirisk dateret, og den understøttede Grand Tack -modellen med sin vision om, at Jupiter dannede og bevægede sig i den første flush af solsystemets ungdom.

Det sluttede ikke der. Den mest dybe konsekvens af dikotomien, siger Kruijer, er, at det ændrede, hvordan vi tænker over, hvor asteroider – og dermed meteoritter – i sidste ende kommer fra. I dag kredserer størstedelen af ​​asteroider i et bælte mellem Mars og Jupiter. Dikotomien viste os, at mange af dem ikke kunne have dannet der, men i stedet må have samlet sig længere ud i solsystemets koldere rækkevidde. Det betyder, at noget må have skubbet dem indad. Og igen, det passer perfekt til teorien om planetarisk migration. Gravitationsturbulensen af ​​Jupiter og dets venner, der bevæger sig rundt, ville være bare det at sende disse to reservoirer af asteroider, der fløj rundt om solsystemet. I dag indeholder stenene i asteroiderne mellem Mars og Jupiter materiale fra begge de originale reservoirer.

Meteoritter har derefter leveret nogle afgørende beviser til støtte for ideen om planetariske migrationer. Men der er noget, der altid har generet mig. Det er svært at tro, at asteroider fra forskellige reservoirer aldrig smadrede ind i hinanden i kaoset i det tidlige solsystem. Men hvis selv en lille del af dem havde det, hvorfor passede alle meteoritter udelukkende ind i en eller anden af ​​de to grupper af den store dikotomi? Hvis de separate reservoirer var marmelade og kiks i en Jammy Dodger, hvorfor havde vi aldrig set nogen meteoritter, der indeholdt en blanding af både marmelade og kiks?

Faktisk har vi fundet et eksempel. I 2021 meddelte Fridolin Spitzer ved Max Planck Institute for Solar System Research, at han havde målt molybdænisotoperne på en meteorit, der faldt på et sted kaldet Nedagolla i Indien i 1870 – og det passede ikke på CC eller NC -linjen . Spitzer husker kolleger, der sagde: “Nej, dette kan ikke være rigtigt.” Men det blev hurtigt klart, at dette var et sensationelt resultat. Den bedste forklaring på Nedagolla -rock, fortalte Spitzer mig, er, at den dannede sig i en kollision mellem to asteroider, den ene fra NC -reservoiret og det andet fra CC -reservoiret. ”Grundlæggende er Nedagolla direkte bevis for kollisionsgenereret blanding,” siger Spitzer. Analyse af meteoritten antyder, at påvirkningen forekom omkring 7 millioner år efter fødslen af ​​solsystemet, der stort set passer til Grand Tack -modellen.

Meteoritter er ikke alle ekstremt vidunderlige at se. Selvom der er nogle eksemplarer af utrolig skønhed, ser de fleste af dem (lad os indse det) bare ligne gamle klipper. Men en af ​​de ting, jeg mest nød ved at skrive min bog, er, at jeg har lært at se forbi det. Disse udenjordiske sten er som tidskapsler faldt ned i vores dam, og – hvis vi lærer at læse dem – kan de fortælle os nogle bemærkelsesværdige historier om solsystemet.

Josh HowgeGo er stedfortræder for funktioner kl Ny videnskabsmand. Hans bog Meteoritjægere er ude i Storbritannien den 6. februar.

Relateret turné

Tur

Videnskab om astronomi og is: Sverige

22. marts 2025

4 dage dage