Jakieś 4,6 miliarda lat temu potężny obłok gazu wodorowego i pyłu uległ kolapsowi pod wpływem własnej masy stopniowo spłaszczając się w dysk zwany mgławicą słoneczną. Większość tej materii międzygwiezdnej skupiła się w centrum dysku, z którego z czasem uformowało się Słońce, a pozostała część gazu i pyłu tworzącego mgławicę słoneczną z czasem uformowała planety i resztę naszego Układu Słonecznego.
Teraz naukowcy z MIT wraz ze współpracownikami oszacowali długość okresu istnienia mgławicy słonecznej – kluczowego etapu, w którym zaszła znaczna część ewolucji Układu Słonecznego.
Nowe szacunki wskazują, że Jowisz i Saturn – gazowe olbrzymy – musiały powstać w ciągu pierwszych 4 milionów lat formowania Układu Słonecznego. Co więcej, do tego czasu musiały także zakończyć migrację na swoją obecną orbitę.
„Tak dużo się działo na samym początku istnienia Układu Słonecznego”, mówi Benjamin Weiss, profesor nauk planetarnych w MIT. „Oczywiście planety kontynuują swoją ewolucję także później, jednak wielkoskalowa struktura układu słonecznego musiała ukształtować się w ciągu pierwszych czterech milionów lat.”
Wyniki badań Weiss oraz Huapei Wang – badacz z MIT opublikowali w najnowszym wydaniu periodyku Science. Współautorami artykułu są także Brynna Downey, Clement Suavet, Roger Fu z MIT, Xue-Ning Bai z Harvard Smithsonian CfA; Jun Wang i Jiajun Wang z Brookhavel National Lab oraz Maria Zucolotto z National Museum w Rio de Janeiro.
Badając magnetyczną orientację czystych próbek dawnych meteorytów, które uformowały się 4,653 mld lat temu, zespół określił, że mgławica słoneczna istniała od 3 do 4 milionów lat. To dokładniejsze szacunki od wcześniejszych oszacowań, które czas życia mgławicy określały na zakres 1-10 milionów lat.
Zespół doszedł do swoich wniosków po dokładnym przebadaniu angrytów, które są jednymi z najstarszych i najlepiej zachowanych obiektów skalistych. Angryty to skały magmowe, które mogły powstawać we wnętrzach planetoid w początkowym okresie historii Układu Słonecznego. W wyniku erupcji dostawały się one na powierzchnię planetoid, gdzie ulegały szybkiemu ochłodzeniu, dzięki czemu zachowywały swoje pierwotne właściwości, np. skład chemiczny czy sygnały paleomagnetyczny.
Naukowcy uważają angryty za najlepiej zachowane fragmenty wczesnej historii Układu Słonecznego, szczególnie z uwagi na fakt, ze skały te zawierają duże ilości uranu, który umożliwia dokładne określenie ich wieku.
„Angryty są wprost spektakularne,” mówi Weiss. „Wiele z nich wygląda jak coś co mogło wylecieć z wulkanu na Hawajach, jednak w rzeczywistości zamarzały one na pierwszych planetazymalach.”
Weiss wraz ze współpracownikami przebadał cztery angryty, które spadły na powierzchnię Ziemi w różnych miejscach i czasie.
„Jeden z nich wylądował w Argentynie i został odkryty przez rolnika uprawiającego pole. Wyglądał jak artefakt indiański i rolnik postanowił postawić go koło swojego domu, gdzie ostatecznie spędził 20 lat. Dopiero po tym czasie kamień poddano badaniom i okazało się, że to naprawdę rzadki okaz meteorytu.”
Pozostałe trzy meteoryty odkryto w Brazylii, Antarktyce i na Pustyni Sahara. Wszystkie cztery były bardzo dobrze zachowane.
Zespół uzyskał próbki wszystkich czterech meteorytów. Poprzez pomiar stosunku obfitości uranu do ołowiu w każdej próbce, poprzednie badania wykazały, że najstarszy z nich powstał 4,653 mld lat temu. Następnie badacze z MIT Paleomagnetism Laboratory zmierzyli szczątkowe namagnetyzowanie skały za pomocą precyzyjnego magnetometru.
Wspieraj istnienie niezależnego portalu astronomicznego i zostań naszym Patronem na http://www.patronite.pl/pulskosmosu
„Elektrony są niczym małe igły kompasu. Jeżeli ustawi się je w jednym kierunku w materiale skalnym, skała staje się namagnetyzowana,” mówi Weiss. „Kiedy już się tak ustawią – na przykład podczas ochładzania skały w obecności pola magnetycznego – to już tak zostaną. Wykorzystujemy tę właściwość jako zapis dawnego pola magnetycznego.”
Gdy umieszczono angryty na magnetometrze, naukowcy obserwowali bardzo niewielkie, szczątkowe namagnetyzowanie, co wskazuje na to, że gdy powstawały, w otoczniu było bardzo słabe pole magnetyczne.
Idąc krok dalej, naukowcy postanowili odtworzyć pole magnetyczne, które spowodowałoby takie namagnetyzowanie. W tym celu ogrzano próbki, a następnie ponownie je ochłodzono w laboratoryjnie kontrolowanym polu magnetycznym.
„Możemy obniżać pole magnetyczne w laboratorium tak, aby odtworzyć pole magnetyczne zaobserwowane wcześniej w próbce.”
Zespół odkrył, że szczątkowe namagnetyzowanie angrytów mogło powstać w ekstremalnie niskim polu magnetycznym o wartości mniejszej niż 0,6 mikrotesli, 4,653 mld lat temu lub około 4 miliony lat po rozpoczęciu formowania Układu Słonecznego.
W 2014 roku grupa Weissa badała inne meteoryty, które powstały w pierwszych 2-3 milionach lat Układu Słonecznego i odkryła, że pole magnetyczne w momencie ich formowania było 10-100 razy silniejsze (5-50 mikrotesli).
„Naukowcy uważają, że gdy natężenie pola magnetycznego spadnie o czynnik 10-100 w wewnętrznych obszarach Układu Słonecznego, co udało nam się wykazać, mgławica słoneczna znika stosunkowo szybko, w ciągu zaledwie 100 000 lat. Więc nawet jeżeli mgławica słoneczna nie zniknęła w 4 miliony lat po rozpoczęciu formowania Układu Słonecznego, to i tak już wtedy się kończyła.”
Nowe szacunki są dużo bardziej precyzyjne niż wcześniejsze, które opierały się na obserwacjach odległych gwiazd.
„Co ważniejsze, paleomagnetyzm angrytów pozwala oszacować czas życia naszej własnej mgławicy słonecznej, podczas gdy obserwacje astronomiczne pozwalały nam mierzyć odległe układy planetarne,” dodaje Wang. „Zważając na fakt, że czas istnienia mgławicy słonecznej krytycznie wpływa na ostateczne położenie Jowisza i Saturna, wpływa także na późniejsze formowanie Ziemi jak i innych planet skalistych.”
Teraz kiedy naukowcy mają lepszą wiedzę o mgławicy słonecznej, mogą przyjrzeć się procesom formowania gazowych olbrzymów – Jowisza i Saturna. Składają się one głównie z gazu i lodu i aktualnie istnieją dwie hipotezy tłumaczące ich powstanie. Jedna z nich zakłada, że olbrzymie planety uformowały się w procesie kolapsu grawitacyjnego gęstego gazu, tak jak to miało miejsce w przypadku Słońca. Druga z kolei zakłada, że planety powstały w dwuetapowym procesie akrecji, w którym fragmenty materii łączyły się w większe obiekty skaliste i lodowe. Po tym jak zebrały odpowiednią masę, wytworzyły pole grawitacyjne, które pozwoliło przyciągnąć potężne ilości gazu, które utworzyły potężne atmosfery planet gazowych.
Według wcześniejszych szacunków planety gazowe, które uformowały się w procesie grawitacyjnego kolapsu obłoków gazowych powinny zakończyć proces formowania w przeciągu 100 000 lat. W odróżnieniu od niego proces akrecji powinien potrwać znacznie dłużej – od 1 do kilku milionów lat. Weiss uważa, że jeżeli mgławica słoneczna istniała przez pierwsze 4 miliony lat formowania się Układu Słonecznego, to proces akrecji wydaje się być bardziej prawdopodobny.
„Gazowe olbrzymy musiały się uformować przed upływem 4 milionów lat po powstaniu Układu Słonecznego. Planety przemieszczały się po całym układzie, zbliżając się i oddalając na potężne odległości. Cały ten ruch napędzany był oddziaływaniem grawitacyjnym gazu. I to wszystko miało miejsce w pierwszych czterech milionach lat.”
Źródło: MIT