Poszukiwanie planet podobnych do Ziemi, krążących wokół innych gwiazd jest jednym z najważniejszych zadań dzisiejszej astrofizyki. Jednak aby określić, jakie warunki są potrzebne, aby planeta tego typu powstała, trzeba najpierw określić jak powstała Ziemia. W rozwiązaniu tej zagadki może pomóc badanie meteorytów, a dokładniej milimetrowej wielkości kulistych ziaren krzemianowych, zwanych chondrulami lub chondrami, które są głównym budulcem większości meteorytów kamiennych. Najnowszy model wyjaśnia proces powstawania chondruli i wiąże ten proces z powstawaniem planet w Układzie Słonecznym.

Autorami artykułu opublikowanego w czasopiśmie “Meteoritics and Planetary Science” są dr Steven J. Desch z Carnegie Institution of Washington’s Department of Terrestrial Magnetism i dr Harold C. Connolly, Jr. z CUNY-Kingsborough College w Brooklynie, związany z Instytutem Astrobiologii przy NASA. W swej pracy wyjaśniają oni wiele problemów teoretycznych, których nie wyjaśniały wcześniejsze modele.

Model opisuje, jak chondrule stapiały się, napotykając fale uderzeniowe w dysku protoplanetarnym wokół Słońca. Podczas tej przemiany chondrule z nieregularnych grudek pyłu zmieniały się w zwarte, sferyczne ziarna o innych właściwościach aerodynamicznych. Dzięki temu możliwe było powstanie większych obiektów. Ponieważ do topienia się chondruli mogło dojść tylko na wczesnym etapie ewolucji Układu Słonecznego, rezultaty Descha i Connolly’ego są zgodne z powszechną teorią, że formowanie się chondruli jest warunkiem wstępnym formowania się planet.

Ten model może być kluczem do ujawnienia sekretów meteorytów” – mówi Desch. – “To pierwszy model na tyle szczegółowy, że może być skonfrontowany z danymi dostarczonymi przez meteoryty i jak na razie przeszedł pomyślnie wszystkie testy. Równocześnie dzięki temu modelowi, dane o meteorytach nabierają kontekstu fizycznego i zyskujemy nowe pojęcie o powstawaniu chondruli“.

Na fotografii widoczny jest fragment meteorytu znalezionego w sierpniu 1998 roku przez Bruna Fectay i Carine Bidaut. Meteoryt zawiera liczne chondry, a także ciemne okruchy pozbawione chondr. Jest to chondryt oliwinowo-bronzytowy H3. Widoczny okaz pochodzi z kolekcji Szymona Kozłowskiego, ma mase 2,4 gram oraz wymiary 24x17x2 mm.

Naukowcy od dawna podejrzewali, że planety powstały w wyniku gromadzenia się pyłu międzygwiezdnego, ale nie wiedzieli, jakie warunki fizyczne powodowały, że możliwe było powstanie fragmentów centymetrowej wielkości. Bez wiedzy na temat tworzenia się chondruli, naukowcy nie potrafili połączyć wiedzy o meteorytach z procesem powstawania planet podobnych do Ziemi. Wiedza taka jest kluczowym elementem poszukiwań planet, na których możliwe jest życie.

Astrobiologia zajmuje się powstawaniem pierwszych “cegiełek” budujących planety, powstawaniem planet, badaniem, czy panują na nich warunki umożliwiające powstanie życia i początkiem ewolucji” – mówi dr Rosalind Grymes z Instytutu Astrobiologii przy NASA, który finansował projekt. – “Ta praca dotyczy pierwszych momentów tego procesu i dostarcza wiedzy koniecznej do zrozumienia początków życia na Ziemi i poza nią“.

Naukowcy badający meteoryty określili wiele warunków, które musi spełniać model topienia się chondruli. Wiedzą oni, że chondrule osiągają na kilka sekund temperatury maksymalne rzędu 1800 do 2100 stopni Kelwina. Wiedzą, że topią się one prawie całkowicie, oraz że stygną w temperaturze krystalizacji 1400 do 1800 stopni Kelwina w tempie wolniejszym niż 100 stopni na godzinę, przez co pozostają gorące przez wiele godzin. Aby nie doszło do utraty żelaza kiedy krzemian się topi, w otoczeniu musi panować wysokie ciśnienie, ponad 0,001 atmosfery. Jest to więcej niż spodziewane ciśnienie w chmurze pyłu wokół gwiazdy. Kilka procent chondruli łączy się z sobą jeszcze kiedy są gorące i plastyczne. Te “złożone chondrule” wydają się bardziej stopione niż pozostałe i prawdopodobnie stygną szybciej.

Teoria spełniające wszystkie powyższe wymogi była od dawna wyzwaniem dla naukowców. W 1996 roku Alan Boss z Carnegie Institution of Washington opisał dziewięć możliwych mechanizmów powstawania chondruli, wśród których można wyróżnić działalność błyskawic, fali uderzeniowych i upadki asteroidów. Ostatnio dr Frank Shu z UC Berkeley przedstawił model “X-wiatrów”, który zakłada, że chondrule tworzą się w pobliżu protosłońca. Rozważano nawet wpływ bliskich błysków gamma na ten proces. Jednak żadna z tych teorii nie wyjaśniała procesu chłodzenia się chondruli na tyle precyzyjnie, by opis pasował do dotychczasowej wiedzy o meteorytach.

Model mechanizmu tworzenia się chondruli przedstawiony przez Descha i Connolly’ego jest najbardziej szczegółowym z dotychczasowych modeli fizycznych. Dokładnie wiąże tempo stygnięcia chondruli z warunkami panującymi w słonecznej mgławicy pyłu. Model uwzględnia kilka dodatkowych efektów, jak dysocjacja gazowego wodoru pod wpływem fali uderzeniowej czy obecność pyłu, a w szczególności opisuje przepływ promieniowania przez gaz, pył i chondrule.

Według Desch i Connolly’ego chondrule osiągają najwyższe temperatury zaraz po przejściu czoła fali uderzeniowej. Fala uderzeniowa wywołuje też potrzebne w procesie wyższe ciśnienie. Chociaż sam gaz wytraca całą prędkość natychmiast, chondrule poruszają się z prędkością ponaddźwiękową jeszcze przez kilka minut, zanim tarcie ich nie zatrzyma. W tym stanie chondrule wyzwalają silne promieniowanie podczerwone. Promieniowanie to absorbują inne chondrule, do których nie dotarła jeszcze fala uderzeniowa oraz te które minęła już wcześniej. Przepływ promieniowania jest ważnym czynnikiem w modelu obliczeniowym, ponieważ gaz i same chondrule ochładzają się w tempie zależnym od absorbowanego promieniowania. Uwzględniając ten efekt, tempo chłodzenia oszacowano na 50 stopni na godzinę, co zgadza się ze średnim czasem ochładzania obliczonym dla chondruli.

Dodatkowo Desch and Connolly określili związek między gęstością występowania chondruli a ich cechami. Tam gdzie liczba chondruli przewyższała średnią, utworzyły się cząstki bardziej stopione i stygnące szybciej. Działo się tak dlatego, że promieniowanie z czoła fali uderzeniowej było szybciej wchłaniane i więcej chondruli mogło przed nim uciec. Tutaj też powstawały złożone chondrule, co wyjaśnia ich właściwości. Model potwierdza też częstotliwość występowania złożonych chondruli, która jest rzędu jednego procenta.

Desch i Connolly nie określili, jakie jest źródło fali uderzeniowych, sugerując tylko, że powodem mogła być niestabilność grawitacyjna słonecznego dysku protoplanetarnego. Jego masa była na tyle duża, że mogło dojść do niestabilności. Co ważniejsze, obserwacje dysków protoplanetarnych wokół innych gwiazd wskazują, że ich duża masa jest zjawiskiem powszechnym. Jeśli fale uderzeniowe spowodowane niestabilnością grawitacyjną powstają również w innych dyskach protoplanetarnych, cechy chondruli i powstawania planet wokół innych gwiazd mogą być zbliżone do opisanych w modelu.

Autor

Anna Marszałek