Chondrules kan være dannet fra højtrykket kollisioner i det tidlige solsystem.
En normalt hårdt forsker fra University of Chicago har bedøvet mange af sine kolleger med sin radikale løsning på et 135 år gammelt mysterium inden for kosmokemi. ”Jeg er en ret sober fyr. Folk vidste ikke, hvad de pludselig skulle tænke, ”sagde Lawrence Grossman, professor i geofysiske videnskaber.
Det drejer sig om, hvor mange små, glasagtige kugler var blevet indlejret i prøver fra den største klasse af meteoritter - kondriterne. Den britiske mineralog Henry Sorby beskrev først disse kugler, kaldet chondrules, i 1877. Sorby foreslog, at de måske var ”dråber af brændende regn”, som på en eller anden måde kondenseres ud af skyen med gas og støv, der dannede solsystemet for 4,5 milliarder år siden.
Forskere har fortsat betragtet chondrules som væskedråber, der havde svævet i rummet, før de hurtigt blev afkølet, men hvordan formedes væsken? ”Der er mange data, der har været forundrende for folk,” sagde Grossman.
Dette er en kunstners gengivelse af en sollignende stjerne, da den måske har set på en million år gammel. Som kosmochemist rekonstruerer University of Chicagos Lawrence Grossman sekvensen af mineraler, der kondenseres fra solneblen, den primære gassky, der til sidst dannede solen og planeterne. Illustration af NASA / JPL-Caltech / T. Pyle, SSC
Grossmans forskning rekonstruerer sekvensen af mineraler, der kondenseres fra solneblen, den primære gassky, der til sidst dannede solen og planeterne. Han har konkluderet, at en kondensationsproces ikke kan udgøre kondrulier. Hans foretrukne teori involverer kollisioner mellem planetesimaler, kroppe, der gravitationsmæssigt samles tidligt i solsystemets historie. ”Det var, hvad mine kolleger fandt så chokerende, fordi de havde betragtet ideen som“ kølig ”, sagde han.
Kosmokemister ved med sikkerhed, at mange typer kondrulier, og sandsynligvis alle af dem, havde solide forløbere. ”Ideen er, at kondriller dannes ved at smelte disse allerede eksisterende faste stoffer,” sagde Grossman.
Et problem angår de processer, der er nødvendige for at opnå de høje, efter-kondensationstemperaturer, der er nødvendige for at opvarme de tidligere kondenserede faste silikater til kondråldråber. Der er opstået forskellige forbløffende, men ikke-underbyggede teorier. Måske kollisioner mellem støvpartikler i det udviklende solsystem opvarmes og smeltede kornene i dråber. Eller måske dannede de sig i strejker af kosmiske lynskruer eller kondenserede i atmosfæren i en nyligt dannende Jupiter.
Et andet problem er, at chondrules indeholder jernoxid. I solenævnen kondenseres silikater som olivin fra gasformigt magnesium og silicium ved meget høje temperaturer. Først når jern oxideres, kan det komme ind i krystalstrukturer af magnesiumsilicater. Oxideret jern dannes ved meget lave temperaturer i solnebulaen, dog først efter at silikater som olivin allerede var kondenseret ved temperaturer, der var 1000 grader højere.
Ved den temperatur, ved hvilken jern oxideres i solnebulaen, diffunderer det imidlertid for langsomt i de tidligere dannede magnesiumsilikater, såsom olivin, til at give jernkoncentrationerne, der ses i olivinet fra kondrulier. Hvilken proces kunne der da have produceret kondriller, der dannedes ved smeltning af eksisterende eksisterende faste stoffer og indeholdende jernoxidbærende olivin?
”Virkningerne på iskolde planetesimaler kunne have genereret hurtigt opvarmede, relativt høje tryk, vandrige dampflader indeholdende høje koncentrationer af støv og dråber, miljøer, der er gunstige til dannelse af kondrulier,” sagde Grossman. Grossman og hans UChicago-medforfatter, forsker Alexei Fedkin, offentliggjorde deres fund i juli-udgaven af Geochimica et Cosmochimica Acta.
Grossman og Fedkin udarbejdede de mineralogiske beregninger ved at følge op på tidligere arbejde udført i samarbejde med Fred Ciesla, lektor i geofysiske videnskaber, og Steven Simon, seniorforsker i geofysiske videnskaber. For at verificere fysikken samarbejder Grossman med Jay Melosh, University Distinguished Professor i Earth & Atmospheric Sciences ved Purdue University, som vil køre yderligere computersimuleringer for at se, om han kan genskabe kondolformende betingelser i kølvandet på planetesimale kollisioner.
”Jeg tror, vi kan gøre det,” sagde Melosh.
Langvarige indvendinger
Grossman og Melosh er velbevandrede i de mangeårige indvendinger mod et slagoprindelse for kondeler. ”Jeg har brugt mange af disse argumenter selv,” sagde Melosh.
Grossman vurderede teorien igen, efter at Conel Alexander ved Carnegie-institutionen i Washington og tre af hans kolleger leverede et manglende stykke puslespil. De opdagede en lille kniv natrium - en komponent af almindeligt bordsalt - i kernerne i de olivinkrystaller, der var indlejret i kondrulierne.
Når olivin krystalliserer fra en væske med chondrule-sammensætning ved temperaturer på ca. 2.000 grader Kelvin (3.140 grader Fahrenheit), forbliver det meste natrium i væsken, hvis det ikke fordamper helt. Men på trods af den ekstreme flygtighed af natrium, forblev nok af det i væsken til at blive registreret i olivinet, en konsekvens af fordampningsundertrykkelsen, der udøves af enten højt tryk eller høj støvkoncentration. Ifølge Alexander og hans kolleger fordampede ikke mere end 10 procent af natrium nogensinde fra de størknende kondruller.
Chondrules er synlige som runde genstande i dette billede af en poleret tynd sektion lavet af Bishunpur-meteoritten fra Indien. De mørke korn er jernfattige olivinkrystaller. Dette er et tilbagespredt elektronbillede taget med et scanningselektronmikroskop. Foto af Steven Simon
Grossman og hans kolleger har beregnet de nødvendige betingelser for at forhindre større grad af fordampning. De planlagde deres beregning med hensyn til totalt tryk og støvberigelse i solens tåge af gas og støv, hvorfra nogle komponenter af kondriterne dannede sig. ”Du kan ikke gøre det i solnedgangen,” forklarede Grossman. Det var det, der førte ham til planetesimal påvirkning. ”Det er her du får høje støvberigelser. Det er her du kan generere højt tryk. ”
Da temperaturen på soleniveauet nåede 1.800 grader Kelvin (2.780 grader Fahrenheit), var det for varmt til, at noget fast materiale kunne kondensere. Da skyen var afkølet til 400 grader Kelvin (260 grader Fahrenheit), var det meste af det imidlertid kondenseret til faste partikler. Grossman har afsat det meste af sin karriere til at identificere den lille procentdel af stoffer, der materialiserede sig under de første 200 grader afkøling: oxider af calcium, aluminium og titan sammen med silikater. Hans beregninger forudsiger kondensering af de samme mineraler, der findes i meteoritter.
I det sidste årti har Grossman og hans kolleger skrevet en række papirer, der undersøger forskellige scenarier for stabilisering af jernoxid, så de kunne komme ind i silikaterne, når de kondenseres ved høje temperaturer, hvilket ikke viste sig at være gennemførligt som en forklaring på kondrulier. ”Vi har gjort alt, hvad du kan gøre,” sagde Grossman.
Dette omfattede tilføjelse af hundreder eller endda tusinder af gange koncentrationen af vand og støv, som de havde nogen grund til at tro, der nogensinde eksisterede i det tidlige solsystem. ”Dette er snyderi,” indrømmede Grossman. Det virkede ikke alligevel.
I stedet tilføjede de ekstra vand og støv til systemet og øgede dets pres for at teste en ny idé om, at chokbølger kan danne kondeler. Hvis chokbølger af en eller anden ukendt kilde var passeret gennem solnebulaen, ville de hurtigt have komprimeret og opvarmet alle faste stoffer i deres vej og dannet kondrulister, efter at de smeltede partikler var afkølet. Cieslas simuleringer viste, at en chokbølge kan producere silicatvæskedråber, hvis han øgede trykket og mængderne af støv og vand med disse unormalt, hvis ikke umuligt høje mængder, men dråberne ville være anderledes end de kondruller, der faktisk findes i meteoritter i dag.
Kosmisk skyvekamp
De adskiller sig fra hinanden, da faktiske kondrulier ikke indeholder isotopiske afvigelser, hvorimod de simulerede chokbølger med chokbølger gør. Isotoper er atomer af det samme element, der har forskellige masser fra hinanden. Fordampning af atomer fra et givet element fra dråber, der driver gennem solnebulaen, forårsager produktion af isotopiske anomalier, som er afvigelser fra de normale relative andele af elementets isotoper. Det er en kosmisk skyvekamp mellem tæt gas og varm væske. Hvis antallet af en given type atomer, der skubbes ud af de varme dråber, er lig med antallet af atomer, der bliver skubbet ind fra den omgivende gas, vil der ikke resultere i nogen fordampning. Dette forhindrer dannelse af isotop-anomalier.
Olivinet, der findes i kondrulier, udgør et problem. Hvis en chokbølge dannede chondrules, ville olivins isotopiske sammensætning blive koncentreret zoner, som træringe. Når dråben afkøles, krystalliseres olivin med uanset hvilken isotopisk sammensætning der eksisterede i væsken, startende ved midten og derefter bevæges ud i koncentriske ringe.Men ingen har endnu fundet isotopisk zonerede olivinkrystaller i kondrules.
Realistiske udseende chondrules ville kun resultere, hvis fordampning blev undertrykt nok til at eliminere isotopanomalierne. Dette kræver imidlertid højere tryk og støvkoncentrationer, der går ud over Cieslas chokbølgesimuleringer.
At yde hjælp var opdagelsen for et par år siden, at kondruller er en eller to millioner år yngre end calcium-aluminiumrige indeslutninger i meteoritter. Disse indeslutninger er nøjagtigt de kondensater, som kosmokemiske beregninger dikterer, ville kondensere i solens nebular sky. Denne aldersforskel giver tid nok efter kondens til, at planetesimaler kan dannes og begynde at kollidere, før der dannes kondeler, som derefter blev en del af Fedkin og Grossmans radikale scenarie.
De siger nu, at planetesim bestående af metallisk nikkeljern, magnesiumsilicater og vandis kondenseret fra solnebelen, langt foran dannelsen af kondrule. Råtnende radioaktive elementer inde i planetesimerne leverede nok varme til at smelte isen.
Vandet perkolerede gennem planetesimalerne, interagerede med metallet og oxiderede jernet. Med yderligere opvarmning, enten før eller under planetesimale kollisioner, blev magnesiumsilicaterne gendannet igen og inkorporeret jernoxid i processen. Når planetimimerne derefter kolliderede med hinanden og genererede det unormalt høje tryk, sprøjtedes flydende dråber indeholdende jernoxid ud.
”Det er her dit første jernoxid kommer fra, ikke fra det, jeg har studeret hele min karriere,” sagde Grossman. Han og hans medarbejdere har nu rekonstrueret opskriften til fremstilling af kondrules. De kommer i to "smagsstoffer", afhængigt af trykket og støvkompositionerne, der opstår ved kollisionen.
”Jeg kan gå på pension nu,” sagde han.
via University of Chicago