История рождения Солнечной системы насчитывает около 4,5 млрд лет, однако некоторые частицы, оказавшиеся в составе первых образовавшихся здесь минералов, могут быть ещё старше самого Солнца. Исследование примитивного метеорита Алленде показало, что в древнейших включениях, сформировавшихся на самых ранних этапах существования Солнечной системы, сохранились частицы вещества, пришедшие от звезды предыдущего поколения.
Это открытие важно не только потому, что позволяет обнаружить прямые следы звёзд, существовавших до рождения Солнца. Исследователи предполагают, что такая межзвёздная пыль могла сыграть гораздо более существенную роль: её поверхности могли стать центрами, вокруг которых в молодой Солнечной системе начали формироваться первые твёрдые минеральные частицы.
Иными словами, вещество, появившееся ещё до рождения Солнца, могло помочь запустить процесс образования первых твёрдых материалов будущей планетной системы.
Метеорит, который сохранил следы рождения Солнечной системы
В феврале 1969 года над мексиканским штатом Чиуауа пронёсся яркий болид. После разрушения объекта на поверхность выпало более двух тонн каменного материала. Обломки получили название метеорита Алленде.
Алленде относится к примитивным метеоритам. В данном случае слово «примитивный» означает не простоту строения, а то, что материал подвергся сравнительно небольшим изменениям после формирования Солнечной системы.
Именно поэтому такие метеориты представляют огромную ценность для космохимии. Они позволяют исследовать вещество, сохранившее характеристики ранней Солнечной системы.
Внутри Алленде находятся различные минералы и структуры, сформировавшиеся ещё в то время, когда Солнце только возникало из огромного облака газа и пыли.
Некоторые части метеорита практически представляют собой естественную летопись процессов, происходивших около 4,5 млрд лет назад.
Причём даже спустя более полувека после падения Алленде продолжает приносить новые научные результаты.
Самые древние минералы Солнечной системы
Особое значение имеют так называемые богатые кальцием и алюминием включения, или CAI. Это небольшие минеральные образования, встречающиеся в примитивных метеоритах.
Они считаются одними из самых древних твёрдых материалов, известных в Солнечной системе.
Когда молодое протопланетное облако ещё представляло собой горячую смесь газа и пыли, его температура постепенно снижалась. По мере охлаждения вещества начали переходить из газообразного состояния в твёрдое.
CAI относятся к самым ранним продуктам этого процесса.
Позднее из вещества протопланетного диска сформировались астероиды, кометы, планеты и их спутники. Поэтому исследование CAI помогает учёным понять самые первые стадии формирования планетной системы.
Но внутри этих древнейших включений обнаружилась ещё более древняя история.
В метеоритах нашли вещество, существовавшее до Солнца
Ещё с 1980-х годов исследователи знают, что в примитивных метеоритах присутствуют так называемые досолнечные зёрна.
Это частицы минералов, которые образовались не в Солнечной системе.
Их химический и изотопный состав настолько отличается от типичного вещества Солнечной системы, что исследователи могут определить их происхождение. Такие частицы формировались вокруг других звёзд, существовавших до рождения Солнца.
Некоторые из них представляют собой нанодиаманты и другие чрезвычайно мелкие минеральные образования.
Звезда, вокруг которой сформировалась такая частица, могла существовать миллиарды лет назад, затем завершить свою эволюцию и выбросить вещество в окружающее пространство.
Это вещество перемешалось с межзвёздной средой.
Позднее часть пыли оказалась в облаке, из которого сформировалось Солнце и его планетная система.
Таким образом, в составе некоторых древних метеоритов действительно сохранилось вещество, существовавшее ещё до появления нашей звезды.
Почему новое открытие отличается от прежних находок
Досолнечные зёрна уже находили в примитивных метеоритах. Однако до сих пор их обнаруживали преимущественно в относительно холодной углеродистой матрице метеоритов.
Это важно, потому что условия формирования CAI были совершенно другими.
Богатые кальцием и алюминием включения возникли в горячей области молодой Солнечной системы. Высокие температуры могли уничтожить хрупкие частицы, пришедшие из межзвёздного пространства.
Поэтому обнаружение досолнечных зёрен непосредственно внутри CAI оказалось неожиданным.
Исследователи Рен Маркес и Франсуа Тиссо из Калифорнийского технологического института вместе с Брюсом Чарлье из Университета Виктории в Веллингтоне обнаружили такие частицы внутри древнейших включений Алленде.
Но значение находки заключается не только в самом факте их сохранения.
Учёные предполагают, что древняя звёздная пыль могла выполнять функцию своеобразных центров кристаллизации.
Что такое «семя» для минерала
Чтобы из охлаждающегося вещества начал формироваться кристалл, необходимы подходящие условия.
На молекулярном уровне образование твёрдого минерала связано с упорядочиванием вещества. Частицам необходимо перейти из относительно однородной газовой среды в устойчивую структуру.
Одной из проблем является зарождение первого устойчивого кристаллического образования.
Если в окружающей среде уже существует подходящая твёрдая поверхность, на ней может начать накапливаться и упорядочиваться дополнительное вещество.
Именно такую роль, согласно новой интерпретации результатов, могли играть досолнечные зёрна.
Они появились вокруг других звёзд задолго до рождения Солнца, затем попали в протопланетное облако и сохранились там достаточно долго.
Когда молодая Солнечная система охлаждалась, поверхности этих частиц могли служить местами, на которых начиналось образование первых минералов.
В таком случае досолнечная пыль была не просто случайной примесью древнего вещества.
Она могла непосредственно участвовать в переходе материала молодой Солнечной системы от горячего газового состояния к твёрдым минералам.
Почему без таких центров образование твёрдого вещества могло быть сложнее
В ранней Солнечной системе температура была достаточно высокой, чтобы значительная часть вещества находилась в газообразном состоянии.
По мере охлаждения различные элементы и соединения должны были конденсироваться и превращаться в твёрдые материалы.
Но сам процесс образования первых устойчивых кристаллических структур не всегда происходит легко.
Исследователи подчёркивают важность поверхности, на которой может начаться рост минеральной структуры.
Досолнечные зёрна предоставляли такую поверхность.
Это предлагает объяснение одного из вопросов ранней космохимии: как относительно однородная горячая смесь газа смогла достаточно быстро перейти к образованию первых твёрдых частиц.
Если предположение верно, частицы, выброшенные древними звёздами, оказались своеобразными строительными площадками для самых первых минералов Солнечной системы.
Звезда, погибшая до рождения Солнца
За этим открытием стоит гораздо более длинная история, чем история самой Солнечной системы.
До появления Солнца уже существовали другие звёзды.
Они рождались, проходили стадии эволюции и завершали своё существование, выбрасывая в космос вещество.
Некоторые элементы, из которых сегодня состоят планеты и другие тела Солнечной системы, были синтезированы в предыдущих поколениях звёзд.
Когда такие звёзды теряли внешние слои или завершали свою жизнь, обогащённое тяжёлыми элементами вещество попадало в межзвёздное пространство.
Из него впоследствии формировались новые звёзды и планетные системы.
Поэтому Солнечная система с самого начала не была полностью изолированной структурой.
Она возникла из вещества, которое уже имело космическую историю.
Досолнечные зёрна позволяют изучать эту историю непосредственно.
Метеориты как архив звёздного вещества
На Земле практически невозможно найти отдельный кусочек межзвёздной пыли в том состоянии, в котором он существовал миллиарды лет назад.
Атмосфера, вода, геологические процессы и деятельность живых организмов постоянно изменяют поверхность нашей планеты.
Даже самые древние земные породы не сохраняют материал ранней Солнечной системы в столь непосредственном виде.
Примитивные метеориты в этом отношении гораздо ценнее.
Некоторые из них практически не подверглись переработке внутри крупных планетных тел.
Они сохранили минералы и химические особенности, сформировавшиеся ещё в протопланетном диске.
Поэтому образец Алленде можно рассматривать как своеобразный фрагмент древнего архива.
Причём в этом архиве одновременно сохранились два разных периода космической истории: вещество, сформировавшееся до рождения Солнца, и первые минералы самой Солнечной системы.
Почему учёные смогли обнаружить такие крошечные частицы
Досолнечные зёрна чрезвычайно малы.
Их изучение требует аналитических методов, способных работать с микроскопическими количествами вещества и определять его состав.
Развитие подобных технологий стало одной из причин, почему старые образцы метеоритов продолжают открывать новые сведения спустя десятилетия после их обнаружения.
В данном исследовании особую роль сыграли методы анализа крайне малых образцов, разработанные Реном Маркесом.
Они позволили исследовать частицы, которые практически невозможно рассматривать традиционными методами как обычные минеральные образцы.
Это хороший пример того, как развитие измерительной техники меняет возможности науки.
Сам объект исследования может оставаться неизменным десятилетиями, но новые методы анализа позволяют увидеть в нём то, что раньше оставалось недоступным.
От звёздной пыли к планетам
После появления первых твёрдых частиц началась гораздо более масштабная цепочка процессов.
Пыль в протопланетном диске сталкивалась, объединялась и постепенно формировала более крупные частицы.
Со временем из них возникали тела километрового размера, а затем планетезимали и зародыши планет.
Дальнейшие столкновения и гравитационное взаимодействие привели к формированию планет, спутников и астероидов.
Поэтому вопрос о происхождении самых первых твёрдых частиц имеет прямое отношение к вопросу о происхождении планет.
Если досолнечная пыль действительно помогала запускать кристаллизацию первых минералов, то её влияние могло проявиться в самом начале цепочки, которая в конечном итоге привела к появлению Земли и других планет.
Это не означает, что отдельные зёрна «создали» планеты. Их роль гораздо конкретнее: они могли предоставить поверхности, необходимые для начального образования твёрдого вещества.
Почему снег на Земле здесь оказывается хорошей аналогией
Само название исследования отсылает к хорошо знакомому явлению.
Снежные кристаллы образуются в атмосфере не совершенно произвольно. Для начала роста ледяного кристалла важна микроскопическая частица, вокруг которой может начаться конденсация воды.
В космической пыли существует сходная идея: небольшая твёрдая частица может предоставить поверхность, на которой начинает формироваться более крупная структура.
Конечно, процессы образования снега в земной атмосфере и минералов в протопланетном диске физически различаются и происходят в совершенно разных условиях.
Но общий принцип — наличие поверхности, облегчающей начало формирования новой структуры, — помогает представить, почему крошечная частица могла иметь значение для ранней Солнечной системы.
Алленде помогает заглянуть на миллиарды лет назад
Метеорит Алленде особенно интересен тем, что его обнаружили в 1969 году, но научная история этого объекта далеко не закончена.
Более пятидесяти лет исследователи изучают его минералы и постепенно находят новые детали.
Это возможно благодаря огромному разнообразию материала, сохранившегося внутри метеорита.
Его состав позволяет исследовать раннюю Солнечную систему не только по крупным характеристикам, но и на уровне отдельных минералов и микроскопических зёрен.
Каждый новый метод анализа способен открыть дополнительные сведения о том, какие процессы происходили в протопланетном облаке.
В данном случае исследователи смогли связать досолнечную звёздную пыль с древнейшими твёрдыми образованиями Солнечной системы.
Солнечная система получила материал от предыдущих звёзд
Современная астрономия давно установила, что тяжёлые элементы во Вселенной не возникли одновременно с Большим взрывом.
Ранние поколения звёзд постепенно обогащали межзвёздное пространство веществом, сформированным внутри звёзд и во время их гибели.
Новое исследование добавляет к этой картине ещё одну деталь.
Древнее вещество могло не просто войти в состав будущих планет и астероидов как пассивная примесь. Оно, возможно, участвовало в самом процессе формирования первых твёрдых материалов.
Получается своеобразная связь между несколькими поколениями звёзд.
Сначала существовала звезда, которая образовала и выбросила пыль. Затем эта пыль оказалась в облаке, из которого сформировалось Солнце. В молодой Солнечной системе её частицы могли стать центрами образования первых минералов. Позднее часть этих минералов оказалась в астероидах, а некоторые из них спустя миллиарды лет попали на Землю в составе метеоритов.
Что это меняет в представлениях о начале Солнечной системы
Главное значение результата заключается в уточнении самых ранних этапов конденсации вещества.
Учёные и раньше знали, что протопланетный диск содержал материал от предыдущих поколений звёзд.
Однако обнаружение досолнечных зёрен внутри древнейших CAI показывает, что такая пыль присутствовала именно там, где формировались первые твёрдые вещества.
Если интерпретация исследователей подтвердится дальнейшими исследованиями, досолнечные зёрна следует рассматривать не только как сохранившиеся реликты других звёзд.
Они могли иметь физическую функцию в ранней Солнечной системе — предоставлять поверхности для начала роста минералов.
Это помогает лучше связать два процесса: поступление вещества от предыдущих звёзд и образование первых твёрдых компонентов будущей планетной системы.
Следы древних звёзд можно найти внутри камней на Земле
В этом открытии есть важный парадокс.
Чтобы исследовать процессы, происходившие до рождения Солнца, учёным не пришлось отправляться к другой звезде.
Следы этих процессов оказались внутри метеорита, который упал на Землю в 1969 году.
Более того, они сохранились внутри минералов, возраст которых практически соответствует самому началу существования Солнечной системы.
Это показывает, насколько ценными могут быть примитивные метеориты для изучения космической истории.
Они являются не просто камнями, прилетевшими из космоса. Некоторые из них содержат вещество, которое практически не изменилось с эпохи формирования планетной системы.
А отдельные зёрна внутри этих камней могут быть старше самого Солнца.
Космическая история продолжается в земных лабораториях
Исследование Алленде интересно ещё и тем, что созданные для космохимии методы анализа постепенно находят применение в других областях науки.
Разработанные Реном Маркесом методы работы с чрезвычайно малыми образцами сейчас применяются также при исследованиях биологических материалов, включая кровь и ткани.
В частности, эти технологии рассматриваются в рамках проекта, связанного с диагностикой остеопороза.
Таким образом, фундаментальные исследования метеоритов могут приводить к развитию методов, которые впоследствии используются уже в земной медицине.
Это не меняет основной научной ценности открытия о происхождении первых минералов, но показывает более широкий эффект фундаментальной науки: инструменты, созданные для изучения чрезвычайно далёкого прошлого Солнечной системы, могут оказаться полезными при решении совершенно земных задач.
Первые камни Солнечной системы могли начаться с частиц чужих звёзд
Солнечная система сформировалась около 4,5 млрд лет назад, но её история началась не с чистого листа.
В облаке, из которого возникло Солнце, уже присутствовало вещество, оставшееся после предыдущих поколений звёзд. Часть этого материала сохранилась в виде досолнечных зёрен.
Новое исследование метеорита Алленде показывает, что такие частицы обнаруживаются даже внутри богатых кальцием и алюминием включений — одних из древнейших твёрдых материалов Солнечной системы.
Учёные предполагают, что поверхности этих зёрен могли стать центрами, вокруг которых во время охлаждения протопланетного диска начали формироваться первые минералы.
Если дальнейшие исследования подтвердят эту картину, происхождение первых твёрдых веществ Солнечной системы окажется теснее связано с наследием древних звёзд, чем считалось прежде.
Получается необычная последовательность: звезда, существовавшая задолго до Солнца, выбросила в космос пыль; эта пыль пережила рождение новой звезды и её планетной системы; отдельные частицы стали частью первых минералов; затем эти минералы вошли в состав астероидов; а миллиарды лет спустя фрагменты одного из таких тел упали на Землю.
И сегодня учёные могут исследовать их в лаборатории, восстанавливая события, происходившие ещё до того, как Солнце и планеты вообще появились.
Источники:
Статья создана по материалам UniverseToday.com
