Chondrules có thể đã hình thành từ các vụ va chạm áp suất cao trong hệ mặt trời sớm.
Một nhà khoa học bình thường của Đại học Chicago đã làm choáng váng nhiều đồng nghiệp của mình bằng giải pháp căn cơ cho một bí ẩn 135 tuổi trong ngành vũ trụ học. Tôi là một chàng trai khá tỉnh táo. Mọi người đã biết những gì đột nhiên nghĩ ra, ông Lawrence Grossman, giáo sư khoa học địa vật lý cho biết.
Vấn đề là làm thế nào nhiều quả cầu thủy tinh nhỏ, đã được nhúng vào trong các mẫu vật của lớp thiên thạch lớn nhất, chondrites. Nhà khoáng vật học người Anh Henry Sorby lần đầu tiên mô tả những quả cầu này, được gọi là chondrules, vào năm 1877. Sorby cho rằng chúng có thể là những giọt mưa của ngọn lửa, mà bằng cách nào đó ngưng tụ từ đám mây khí và bụi hình thành nên hệ mặt trời cách đây 4,5 tỷ năm.
Các nhà nghiên cứu đã tiếp tục coi chondrules là những giọt chất lỏng đã trôi nổi trong không gian trước khi được làm lạnh nhanh chóng, nhưng chất lỏng hình thành như thế nào? Có rất nhiều dữ liệu gây hoang mang cho mọi người, theo ông Gross Grossman.
Đây là một nghệ sĩ biểu hiện của một ngôi sao giống như mặt trời vì nó có thể đã nhìn vào một triệu năm tuổi. Là một nhà vũ trụ học, Đại học Chicago, Lawrence Grossman, tái tạo chuỗi các khoáng chất ngưng tụ từ tinh vân mặt trời, đám mây khí nguyên thủy cuối cùng hình thành nên mặt trời và các hành tinh. Minh họa bởi NASA / JPL-Caltech / T. Pyle, SSC
Nghiên cứu Grossman sườn tái tạo chuỗi các khoáng chất ngưng tụ từ tinh vân mặt trời, đám mây khí nguyên thủy cuối cùng hình thành nên mặt trời và các hành tinh. Ông đã kết luận rằng một quá trình ngưng tụ không thể giải thích cho chondrules. Lý thuyết yêu thích của ông liên quan đến sự va chạm giữa các hành tinh, các cơ quan hấp dẫn kết hợp sớm trong lịch sử của hệ mặt trời. Anh ấy nói những gì mà các đồng nghiệp của tôi thấy rất sốc, bởi vì họ đã xem xét ý tưởng đó rất nhiều, anh ấy nói.
Các nhà vũ trụ biết chắc chắn rằng nhiều loại chondrules, và có lẽ tất cả chúng, đều có tiền chất vững chắc. Ý tưởng là chondrules hình thành bằng cách làm tan chảy các chất rắn đã có từ trước đó, ông Gross Grossman nói.
Một vấn đề liên quan đến các quá trình cần thiết để thu được nhiệt độ cao, sau ngưng tụ cần thiết để làm nóng các silicat rắn ngưng tụ trước đó thành các giọt nhỏ. Nhiều lý thuyết nguồn gốc đáng kinh ngạc nhưng không có căn cứ đã xuất hiện. Có thể va chạm giữa các hạt bụi trong hệ mặt trời đang phát triển làm nóng và làm tan chảy các hạt thành giọt. Hoặc có thể chúng hình thành trong các tia sét vũ trụ, hoặc ngưng tụ trong bầu khí quyển của một Sao Mộc mới hình thành.
Một vấn đề khác là chondrules có chứa oxit sắt. Trong tinh vân mặt trời, silicat như olivin ngưng tụ từ magiê khí và silic ở nhiệt độ rất cao. Chỉ khi sắt bị oxy hóa, nó mới có thể đi vào cấu trúc tinh thể của silicat magiê. Tuy nhiên, sắt bị oxy hóa hình thành ở nhiệt độ rất thấp trong tinh vân mặt trời, chỉ sau khi silicat như olivin đã ngưng tụ ở nhiệt độ cao hơn 1.000 độ.
Tuy nhiên, ở nhiệt độ mà sắt bị oxy hóa trong tinh vân mặt trời, nó khuếch tán quá chậm vào các silicat magiê hình thành trước đó, chẳng hạn như olivin, để cung cấp nồng độ sắt nhìn thấy trong olivin của chondrules. Quá trình nào sau đó có thể tạo ra các sụn hình thành bằng cách nấu chảy các chất rắn có sẵn và chứa olivin chứa oxit sắt?
Tác động lên các hành tinh băng giá có thể tạo ra các luồng hơi nước giàu áp suất, áp suất tương đối cao, chứa nồng độ cao của bụi và các giọt nhỏ, môi trường thuận lợi cho sự hình thành các sụn, ông Gross Gross nói. Grossman và đồng tác giả UChicago, nhà khoa học nghiên cứu Alexei Fedkin, đã công bố phát hiện của họ trong số tháng 7 của Geochimica et Cosmochimica Acta.
Grossman và Fedkin đã thực hiện các tính toán về khoáng vật học, tiếp theo công việc trước đó được thực hiện với sự hợp tác của Fred Ciesla, phó giáo sư khoa học địa vật lý và Steven Simon, nhà khoa học cao cấp về khoa học địa vật lý. Để xác minh vật lý, Grossman đang hợp tác với Jay Melosh, Giáo sư Khoa học Trái đất & Khí quyển của Đại học Purdue, người sẽ chạy các mô phỏng máy tính bổ sung để xem liệu anh ta có thể tái tạo các điều kiện hình thành chondrule sau các va chạm của hành tinh không.
Tôi nghĩ chúng ta có thể làm được điều đó.
Phản đối từ lâu
Grossman và Melosh rất thành thạo trong các phản đối từ lâu đối với nguồn gốc tác động đối với các sụn. Bản thân tôi đã sử dụng rất nhiều trong số những lý lẽ đó.
Grossman đã đánh giá lại lý thuyết sau khi Conel Alexander tại Viện Carnegie ở Washington và ba đồng nghiệp của ông cung cấp một mảnh ghép còn thiếu. Họ đã phát hiện ra một nhúm natri nhỏ, một thành phần của muối ăn thông thường trong lõi của các tinh thể olivin được nhúng trong các sụn.
Khi olivin kết tinh từ một chất lỏng có thành phần chondrule ở nhiệt độ xấp xỉ 2.000 độ Kelvin (3.140 độ F), hầu hết natri vẫn còn trong chất lỏng nếu nó không bay hơi hoàn toàn. Nhưng mặc dù natri rất dễ bay hơi, nhưng nó vẫn tồn tại trong chất lỏng được ghi lại trong olivin, hậu quả của việc khử bay hơi gây ra bởi áp suất cao hoặc nồng độ bụi cao. Theo Alexander và các đồng nghiệp của ông, không quá 10 phần trăm natri đã bốc hơi từ các sụn hóa rắn.
Chondrules có thể nhìn thấy như những vật thể tròn trong hình ảnh này của một phần mỏng được đánh bóng được làm từ thiên thạch Bishunpur từ Ấn Độ. Các hạt tối là tinh thể olivin nghèo sắt. Đây là hình ảnh electron tán xạ ngược được chụp bằng kính hiển vi điện tử quét. Ảnh của Steven Simon
Grossman và các đồng nghiệp đã tính toán các điều kiện cần thiết để ngăn chặn bất kỳ mức độ bay hơi lớn hơn. Họ đã tính toán tính toán của họ về tổng áp lực và làm giàu bụi trong tinh vân mặt trời của khí và bụi mà từ đó một số thành phần của chondrites hình thành. Bạn có thể làm điều đó trong tinh vân mặt trời, ông Gross Grossman giải thích. Đó là những gì đã dẫn anh ta đến các tác động hành tinh. Mùi đó, nơi bạn có thể làm giàu bụi cao. Đó là nơi mà bạn có thể tạo ra áp lực cao.
Khi nhiệt độ của tinh vân mặt trời đạt tới 1.800 độ Kelvin (2.780 độ F), nó quá nóng đối với bất kỳ vật liệu rắn nào ngưng tụ. Vào thời điểm đám mây đã nguội đến 400 độ Kelvin (260 độ F), tuy nhiên, phần lớn nó đã ngưng tụ thành các hạt rắn. Grossman đã dành phần lớn sự nghiệp của mình để xác định tỷ lệ nhỏ các chất được vật chất hóa trong 200 độ làm mát đầu tiên: oxit của canxi, nhôm và titan, cùng với silicat. Tính toán của ông dự đoán sự ngưng tụ của các khoáng chất tương tự được tìm thấy trong thiên thạch.
Trong thập kỷ qua, Grossman và các đồng nghiệp của ông đã viết một loạt các bài báo tìm hiểu các kịch bản khác nhau để ổn định oxit sắt đủ để nó đi vào silicat khi chúng ngưng tụ ở nhiệt độ cao, không có gì khả thi như một lời giải thích cho sụn. Chúng tôi đã làm tất cả mọi thứ mà bạn có thể làm.
Điều này bao gồm thêm hàng trăm hoặc thậm chí hàng ngàn lần nồng độ của nước và bụi mà họ có bất kỳ lý do nào để tin rằng đã từng tồn tại trong hệ mặt trời sơ khai. Đây là một trò gian lận. Dù sao nó cũng không hoạt động.
Thay vào đó, họ đã bổ sung thêm nước và bụi cho hệ thống và tăng áp lực để kiểm tra một ý tưởng mới rằng sóng xung kích có thể hình thành các sụn. Nếu sóng xung kích của một số nguồn không xác định đã đi qua tinh vân mặt trời, chúng sẽ nhanh chóng nén và đốt nóng bất kỳ chất rắn nào trên đường đi của chúng, tạo thành các sụn sau khi các hạt tan chảy nguội đi. Các mô phỏng của Ciesla, cho thấy một sóng xung kích có thể tạo ra các giọt chất lỏng silicat nếu anh ta tăng áp suất và lượng bụi và nước một cách bất thường nếu không phải là lượng cực lớn, nhưng các giọt này sẽ khác với các mảnh vỡ thực sự tìm thấy trong thiên thạch ngày nay.
Trận đấu xô vũ trụ
Chúng khác nhau ở chỗ chondrules thực tế không chứa dị thường đồng vị, trong khi đó chondrules sóng xung kích mô phỏng. Đồng vị là các nguyên tử của cùng một nguyên tố có khối lượng khác nhau. Sự bay hơi của các nguyên tử của một nguyên tố nhất định từ các giọt trôi qua tinh vân mặt trời gây ra sự tạo ra các dị thường đồng vị, là độ lệch so với tỷ lệ tương đối bình thường của các đồng vị nguyên tố. Nó là một trận đấu vũ trụ giữa khí dày đặc và chất lỏng nóng. Nếu số lượng các nguyên tử nhất định được đẩy ra khỏi các giọt nóng bằng với số lượng nguyên tử được đẩy vào từ khí xung quanh, sẽ không xảy ra sự bay hơi. Điều này ngăn ngừa dị thường đồng vị hình thành.
Các olivine được tìm thấy trong chondrules trình bày một vấn đề. Nếu một sóng xung kích hình thành các sụn, thì thành phần đồng vị olivine có thể được phân vùng đồng tâm, giống như các vòng cây. Khi giọt nước nguội đi, olivin kết tinh với bất kỳ thành phần đồng vị nào tồn tại trong chất lỏng, bắt đầu từ tâm, sau đó di chuyển ra trong các vòng đồng tâm.Nhưng chưa ai tìm thấy các tinh thể olivin được phân vùng đồng vị trong chondrules.
Các sụn trông giống như thật chỉ có kết quả nếu sự bay hơi bị triệt tiêu đủ để loại bỏ các dị thường đồng vị. Tuy nhiên, điều đó sẽ đòi hỏi áp suất và nồng độ bụi cao hơn vượt ra ngoài phạm vi mô phỏng sóng xung kích Ciesla.
Cung cấp một số trợ giúp là phát hiện một vài năm trước đây, chondrules trẻ hơn một hoặc hai triệu năm so với các vùi giàu canxi-nhôm trong thiên thạch. Các vùi này chính xác là các phần ngưng tụ mà các tính toán vũ trụ học đưa ra sẽ ngưng tụ trong đám mây tinh vân mặt trời. Sự chênh lệch tuổi tác đó cung cấp đủ thời gian sau khi ngưng tụ để các hành tinh hình thành và bắt đầu va chạm trước khi hình thành sụn, sau đó trở thành một phần của kịch bản triệt để của Fedkin và Grossman.
Bây giờ họ nói rằng các hành tinh bao gồm sắt kim loại niken, silicat magiê và nước đá ngưng tụ từ tinh vân mặt trời, đi trước sự hình thành chondrule. Các nguyên tố phóng xạ phân rã bên trong các hành tinh cung cấp đủ nhiệt để làm tan băng.
Nước được thấm qua các hành tinh, tương tác với kim loại và oxy hóa sắt. Với sự gia nhiệt hơn nữa, trước hoặc trong các va chạm hành tinh, silicat magiê được hình thành lại, kết hợp oxit sắt trong quá trình này. Khi các hành tinh sau đó va chạm với nhau, tạo ra áp suất cao bất thường, các giọt chất lỏng chứa oxit sắt phun ra.
Càng đó, nơi mà oxit sắt đầu tiên của bạn đến từ đâu, không phải từ những gì tôi đã nghiên cứu trong toàn bộ sự nghiệp của mình, ông Gross Grossman nói. Ông và các cộng sự của mình hiện đã xây dựng lại công thức sản xuất chondrules. Chúng có hai hương vị của người Viking, tùy thuộc vào áp lực và thành phần bụi phát sinh từ vụ va chạm.
Tôi có thể nghỉ hưu ngay bây giờ, anh ấy đã châm biếm.
Thông qua Đại học Chicago