Ученые обнаружили доказательства того, что в ранней Солнечной системе существовал разрыв между внутренним и внешним регионами

В ранней Солнечной системе «протопланетный диск» из пыли и газа вращался вокруг Солнца и в конечном итоге объединился в планеты, которые мы знаем сегодня. 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 исследования, опубликованные в Science Advances, являются прямым доказательством этого разрыва.

«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 молодые звезды и планеты».

Причина такого разрыва в нашей солнечной системе остается загадкой. Одна из возможностей заключается в том, что Юпитер мог оказать свое 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 разрыв в диске.

Независимо от своего происхождения, брешь в ранней Солнечной системе, вероятно, служила космической границей, препятствуя взаимодействию материалов по обе стороны от нее. 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, образовав в более холодных областях Юпитер и соседние с ним газовые гиганты.

«Довольно сложно преодолеть этот разрыв, и планете потребуется много внешнего крутящего момента и импульса», — говорят ученые. «Таким образом, это свидетельствует о том, что формирование наших планет ограничивалось определенными регионами в ранней солнечной системе».

Разрыв 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 формирования Солнечной системы. 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 наличие такого разрыва не получило 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 ученые проанализировали 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. Ранее ученые идентифицировали древнее магнитное поле в образцах из этой близкой к Солнцу области.

Различия в метеоритах

В своем новом исследовании ученые 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 размером около 100 микрон каждая 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 напряженность поля была 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, ученые обнаружили, что у далеких хондр было более сильное магнитное поле, около 100 микротесла, по сравнению с полем в 50 микротесла в более близких хондрах. Для справки: магнитное поле Земли сегодня составляет около 50 микротесла.

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 моделирование различных сценариев, ученые пришли к выводу, что наиболее вероятным объяснением несоответствия в темпах аккреции является наличие разрыва между внутренней и внешней областями, который мог бы уменьшить количество газа и пыли, поступающих к Солнцу из внешних областей.

«Разрывы — обычное дело в протопланетных системах, и теперь мы показываем, что они были и в нашей солнечной системе», — говорят исследователи. «Это дает ответ на странную дихотомию, которую мы видим в метеоритах, и предоставляет доказательства того, что разрывы влияют на состав планет».

Исследование было опубликовано в Science Advances.