Теперь ученые из Массачусетского технологического института и их коллеги оценили время жизни солнечной туманности — ключевой этап, во время которого сформировалась большая часть эволюции Солнечной системы.Эта новая оценка предполагает, что газовые гиганты Юпитер и Сатурн должны были сформироваться в течение первых 4 миллионов лет образования Солнечной системы. Более того, к этому времени они должны были завершить перемещение своих орбитальных позиций с помощью газа.«Так много всего происходит в самом начале истории Солнечной системы», — говорит Бенджамин Вайс, профессор наук о Земле, атмосфере и планетах Массачусетского технологического института. «Конечно, после этого планеты эволюционируют, но крупномасштабная структура Солнечной системы по существу сформировалась в первые 4 миллиона лет».
Вайс и постдок из Массачусетского технологического института Хуапей Ван, первый автор этого исследования, сообщают о своих результатах сегодня в журнале Science. Их соавторы — Бринна Дауни, Клемент Суаве и Роджер Фу из Массачусетского технологического института; Сюэ-Нин Бай из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики; Цзюнь Ван и Цзяцзюнь Ван из Брукхейвенской национальной лаборатории; и Мария Зуколотто из Национального музея в Рио-де-Жанейро.Эффектные рекордерыИзучая магнитную ориентацию нетронутых образцов древних метеоритов, сформировавшихся 4,563 миллиарда лет назад, команда определила, что солнечная туманность просуществовала от 3 до 4 миллионов лет.
Это более точная цифра, чем предыдущие оценки, согласно которым время жизни солнечной туманности составляет от 1 до 10 миллионов лет.Команда пришла к такому выводу после тщательного анализа ангритов, которые являются одними из самых старых и наиболее нетронутых планетных горных пород. Ангриты — это магматические породы, многие из которых, как считается, изверглись на поверхность астероидов очень рано в истории Солнечной системы, а затем быстро остыли, заморозив их первоначальные свойства, включая их состав и палеомагнитные сигналы.Ученые рассматривают ангритов как исключительных регистраторов ранней солнечной системы, особенно потому, что породы также содержат большое количество урана, который они могут использовать для точного определения их возраста.
«Ангриты действительно впечатляют», — говорит Вайс. «Многие из них выглядят как извержения на Гавайях, но они остыли на очень ранних планетезималах».Вайс и его коллеги проанализировали четыре ангрита, упавших на Землю в разное время и в разных местах.
«Один упал в Аргентине и был обнаружен, когда сельскохозяйственный рабочий обрабатывал свое поле», — говорит Вайс. «Он выглядел как индийский артефакт или чаша, и помещик хранил его в этом доме около 20 лет, пока, наконец, не решил его проанализировать, и это оказался действительно редкий метеорит».Остальные три метеорита были обнаружены в Бразилии, Антарктиде и пустыне Сахара. Все четыре метеорита были замечательно хорошо сохранились, не претерпев никакого дополнительного нагрева или серьезных изменений в составе с момента их первоначального образования.
Измерительные крошечные компасыКоманда получила образцы всех четырех метеоритов. Путем измерения соотношения урана и свинца в каждом образце предыдущие исследования определили, что три самых древних из них образовались около 4,563 миллиарда лет назад.
Затем исследователи измерили остаточную намагниченность горных пород с помощью прецизионного магнитометра в лаборатории палеомагнетизма Массачусетского технологического института.«Электроны — это маленькие стрелки компаса, и если вы совместите их пучок с камнем, камень намагнитится», — объясняет Вайс. «Как только они выровнены, что может произойти, когда скала остывает в присутствии магнитного поля, они остаются такими. Это то, что мы используем для записи древних магнитных полей».Когда они поместили ангриты в магнитометр, исследователи наблюдали очень небольшую остаточную намагниченность, что указывает на очень слабое магнитное поле, когда образовывались ангриты.
Команда пошла еще дальше и попыталась восстановить магнитное поле, которое могло бы вызвать выравнивание скал или его отсутствие. Для этого образцы нагревали, а затем снова охлаждали в магнитном поле, контролируемом лабораторией.«Мы можем продолжать уменьшать лабораторное поле и можем воспроизвести то, что находится в образце», — говорит Вайс. «Мы обнаружили, что разрешены только очень слабые лабораторные поля, учитывая, насколько мала остаточная намагниченность в этих трех ангритах».В частности, команда обнаружила, что остаточная намагниченность ангритов могла быть произведена чрезвычайно слабым магнитным полем не более 0,6 микротесласа, 4,563 миллиарда лет назад или примерно через 4 миллиона лет после начала Солнечной системы.
В 2014 году группа Вайса проанализировала другие древние метеориты, которые образовались в первые 2–3 миллиона лет существования Солнечной системы, и обнаружила доказательства того, что магнитное поле было примерно в 10–100 раз сильнее — около 5–50 микротесла.«Предполагается, что как только магнитное поле во внутренней части Солнечной системы упадет в 10-100 раз, что мы сейчас показали, солнечная туманность исчезнет очень быстро, в течение 100 000 лет», — говорит Вайс. «Так что, даже если солнечная туманность не исчезла 4 миллиона лет назад, она практически исчезла».Планеты выравниваютсяНовая оценка исследователей намного точнее предыдущих оценок, основанных на наблюдениях далеких звезд.
«Более того, палеомагнетизм ангритов ограничивает время жизни нашей собственной солнечной туманности, в то время как астрономические наблюдения, очевидно, измеряют другие далекие солнечные системы», — добавляет Ван. «Поскольку время жизни солнечной туманности критически влияет на конечное положение Юпитера и Сатурна, оно также влияет на более позднее формирование Земли, нашего дома, а также на формирование других планет земной группы».Теперь, когда ученые получили лучшее представление о том, как долго существовала солнечная туманность, они также могут сузить круг вопросов о том, как образовались планеты-гиганты, такие как Юпитер и Сатурн. Планеты-гиганты в основном состоят из газа и льда, и есть две преобладающие гипотезы о том, как весь этот материал образовал планету. Один предполагает, что планеты-гиганты образовались в результате гравитационного коллапса конденсирующегося газа, как и Солнце.
Другой предполагает, что они возникли в результате двухэтапного процесса, называемого аккрецией ядра, в котором кусочки материала разбивались и сливались вместе, образуя более крупные скалистые ледяные тела. Когда эти тела стали достаточно массивными, они могли создать гравитационную силу, которая притягивала огромное количество газа, чтобы в конечном итоге сформировать гигантскую планету.Согласно предыдущим предсказаниям, планеты-гиганты, образующиеся в результате гравитационного коллапса газа, должны завершить свое общее формирование в течение 100000 лет.
Напротив, аккреция керна обычно занимает гораздо больше времени, порядка от 1 до нескольких миллионов лет. Вайс говорит, что если бы солнечная туманность существовала в первые 4 миллиона лет образования Солнечной системы, это поддержало бы сценарий аккреции ядра, который обычно одобряется учеными.
«Газовые гиганты, должно быть, образовались через 4 миллиона лет после образования Солнечной системы», — говорит Вайс. «Планеты двигались повсюду, туда и обратно на большие расстояния, и считается, что все это движение было вызвано гравитационными силами газа. Мы говорим, что все это произошло в первые 4 миллиона лет».
Это исследование было частично поддержано НАСА и щедрым подарком Томаса Дж. Петерсона-младшего.