Обнаружены доказательства того, что в ранней Солнечной системе существовала пропасть между ее внутренним и внешним регионами

Новый анализ древних метеоритов, проведенный учеными из Массачусетского технологического института и других источников, предполагает, что загадочный разрыв существовал в этом диске около 4,567 миллиарда лет назад, недалеко от того места, где сегодня находится пояс астероидов.

Результаты команды, появившиеся сегодня в Достижения науки, предоставьте прямые доказательства этого пробела.

«За последнее десятилетие наблюдения показали, что полости, промежутки и кольца являются обычным явлением в дисках вокруг других молодых звезд», – говорит Бенджамин Вайс, профессор планетных наук в Департаменте наук о Земле, атмосфере и планетах Массачусетского технологического института (EAPS). «Это важные, но плохо изученные признаки физических процессов, посредством которых газ и пыль превращаются в молодое Солнце и планеты».

Точно так же причина такого разрыва в нашей солнечной системе остается загадкой. Одна из возможностей заключается в том, что Юпитер мог оказать влияние. Когда газовый гигант обрел форму, его огромная гравитационная сила могла подтолкнуть газ и пыль к окраинам, оставив за собой брешь в развивающемся диске.

Другое объяснение может быть связано с ветрами, выходящими с поверхности диска. Ранние планетные системы управляются сильными магнитными полями. Когда эти поля взаимодействуют с вращающимся диском из газа и пыли, они могут производить ветер, достаточно мощный, чтобы выдуть материал, оставляя зазор в диске.

Независимо от своего происхождения, брешь в ранней Солнечной системе, вероятно, служила космической границей, не давая материалам по обе стороны от нее взаимодействовать. Это физическое разделение могло сформировать состав планет Солнечной системы. Например, на внутренней стороне разрыва газ и пыль объединились в планеты земной группы, включая Землю и Марс, в то время как газ и пыль переместились в дальнюю сторону разрыва, образовавшуюся в более ледяных областях, таких как Юпитер и соседние с ним газовые гиганты.

«Довольно сложно преодолеть этот разрыв, и планете потребуется много внешнего крутящего момента и импульса», – говорит ведущий автор и аспирант EAPS Кауэ Борлина. «Таким образом, это свидетельствует о том, что формирование наших планет ограничивалось определенными регионами в ранней Солнечной системе».

Соавторами Вайса и Борлины являются Эдуардо Лима, Ниланджан Чаттерджи и Элиас Мансбах из Массачусетского технологического института, Джеймс Брайсон из Оксфордского университета и Сюэ-Нинг Бай из университета Цинхуа.

Раскол в пространстве

За последнее десятилетие ученые наблюдали любопытный раскол в составе метеоритов, достигших Земли. Эти космические камни изначально формировались в разное время и в разных местах по мере того, как формировалась Солнечная система. Те, что были проанализированы, показывают одну из двух комбинаций изотопов. Редко когда в метеоритах обнаруживается и то, и другое – загадка, известная как «изотопная дихотомия».

Ученые предположили, что эта дихотомия может быть результатом разрыва в диске ранней Солнечной системы, но такой разрыв не получил прямого подтверждения.

Группа Вайса анализирует метеориты на предмет наличия древних магнитных полей. По мере того, как молодая планетная система обретает форму, она несет с собой магнитное поле, сила и направление которого могут меняться в зависимости от различных процессов внутри развивающегося диска. Когда древняя пыль собиралась в зерна, известные как хондры, электроны внутри хондр выстраивались в соответствии с магнитным полем, в котором они образовались.

Хондры могут быть меньше диаметра человеческого волоса и сегодня обнаруживаются в метеоритах. Группа Вайса специализируется на измерении хондр для определения древних магнитных полей, в которых они изначально формировались.

В предыдущей работе группа проанализировала образцы одной из двух изотопных групп метеоритов, известных как неуглеродистые метеориты. Считается, что эти породы образовались в «резервуаре» или регионе ранней Солнечной системы, относительно близко к Солнцу. Группа Вейсса ранее идентифицировала древнее магнитное поле в образцах из этой близкой области.

Несоответствие метеорита

В своем новом исследовании исследователи задались вопросом, будет ли магнитное поле таким же во второй изотопной, «углеродистой» группе метеоритов, которые, судя по их изотопному составу, предположительно возникли дальше в Солнечной системе.

Они проанализировали хондры, каждая размером около 100 микрон, из двух углеродистых метеоритов, обнаруженных в Антарктиде. Используя сверхпроводящее устройство квантовой интерференции, или SQUID, высокоточный микроскоп в лаборатории Вайса, команда определила первоначальное древнее магнитное поле каждой хондры.

К удивлению, они обнаружили, что их напряженность поля выше, чем у более близких неуглеродистых метеоритов, которые они ранее измеряли. По мере того, как формируются молодые планетные системы, ученые ожидают, что сила магнитного поля должна уменьшаться с расстоянием от Солнца.

Напротив, Борлина и его коллеги обнаружили, что у далеких хондр было более сильное магнитное поле, около 100 микротесласов, по сравнению с полем в 50 микротеслов в более близких хондрах. Для справки: магнитное поле Земли сегодня составляет около 50 микротесл.

Магнитное поле планетной системы является мерой ее скорости аккреции или количества газа и пыли, которое она может вовлечь в свой центр с течением времени. Судя по магнитному полю углеродистых хондр, внешняя область Солнечной системы должна была наращивать гораздо больше массы, чем внутренняя область.

Используя модели для моделирования различных сценариев, команда пришла к выводу, что наиболее вероятным объяснением несоответствия в темпах аккреции является наличие зазора между внутренней и внешней областями, который мог бы уменьшить количество газа и пыли, текущих к Солнцу от внешние регионы.

«Пробелы – обычное дело в протопланетных системах, и теперь мы показываем, что они были в нашей солнечной системе», – говорит Борлина. «Это дает ответ на эту странную дихотомию, которую мы видим в метеоритах, и предоставляет доказательства того, что пробелы влияют на состав планет».