Ilustración del artista del sistema solar temprano, en un momento en el que aún no se habían formado planetas. Una nube arremolinada de gas y polvo rodeaba al joven sol. El corte a través de este llamado disco protoplanetario muestra su estructura tridimensional. Crédito:Heather Roper
Un equipo de investigación dirigido por la Universidad de Arizona ha reconstruido con un detalle sin precedentes la historia de un grano de polvo que se formó durante el nacimiento del sistema solar hace más de 4.500 millones de años. Los hallazgos brindan información sobre los procesos fundamentales que subyacen a la formación de sistemas planetarios, muchos de los cuales todavía están envueltos en misterio.
Para el estudio, el equipo desarrolló un nuevo tipo de marco, que combina la mecánica cuántica y la termodinámica, simular las condiciones a las que estuvo expuesto el grano durante su formación, cuando el sistema solar era un disco giratorio de gas y polvo conocido como disco protoplanetario o nebulosa solar. Comparando las predicciones del modelo con un análisis extremadamente detallado de la composición química y la estructura cristalina de la muestra, junto con un modelo de cómo se transportaba la materia en la nebulosa solar, reveló pistas sobre el viaje del grano y las condiciones ambientales que le dieron forma a lo largo del camino.
El grano analizado en el estudio es una de varias inclusiones, conocidas como inclusiones ricas en calcio y aluminio, o CAI, descubierto en una muestra del meteorito Allende, que cayó sobre el estado mexicano de Chihuahua en 1969. Los CAI son de especial interés porque se cree que están entre los primeros sólidos que se formaron en el sistema solar hace más de 4.500 millones de años.
Similar a cómo los sellos en un pasaporte cuentan una historia sobre el viaje de un viajero y se detienen en el camino, Las estructuras a escala micro y atómica de las muestras desbloquean un registro de sus historias de formación, que estaban controlados por los entornos colectivos a los que estaban expuestos.
"Hasta donde sabemos, Nuestro artículo es el primero en contar una historia de origen que ofrece pistas sobre los procesos probables que sucedieron a escala de distancias astronómicas con lo que vemos en nuestra muestra a escala de distancias atómicas. "dijo Tom Zega, profesor del Laboratorio Planetario y Lunar de la Universidad de Arizona y primer autor del artículo, publicado en La Revista de Ciencias Planetarias.
Zega y su equipo analizaron la composición de las inclusiones incrustadas en el meteorito utilizando microscopios electrónicos de transmisión de barrido de resolución atómica de vanguardia, uno en la Instalación de Caracterización e Imágenes de Materiales Kuiper de UArizona. y su microscopio hermano ubicado en la fábrica de Hitachi en Hitachinaka, Japón.
Un corte a través de un meteorito de Allende revela varias partículas esféricas, conocido como condrules. La "isla" de forma irregular a la izquierda del centro es una inclusión rica en calcio y aluminio, o CAI. El grano de este estudio se aisló de dicho CAI. Crédito:Cosas brillantes / Wikimedia Commons
Se encontró que las inclusiones consisten principalmente en tipos de minerales conocidos como espinela y perovskita, que también se encuentran en las rocas de la Tierra y se están estudiando como materiales candidatos para aplicaciones como la microelectrónica y la energía fotovoltaica.
Tipos similares de sólidos ocurren en otros tipos de meteoritos conocidos como condritas carbonáceas, que son particularmente interesantes para los científicos planetarios, ya que se sabe que son restos de la formación del sistema solar y contienen moléculas orgánicas, incluidos aquellos que pueden haber proporcionado las materias primas de por vida.
El análisis preciso de la disposición espacial de los átomos permitió al equipo estudiar la composición de las estructuras cristalinas subyacentes con gran detalle. Para sorpresa del equipo, algunos de los resultados estaban en desacuerdo con las teorías actuales sobre los procesos físicos que se cree que están activos dentro de los discos protoplanetarios, incitándolos a profundizar más.
"Nuestro desafío es que no sabemos qué vías químicas llevaron al origen de estas inclusiones, "Zega dijo." La naturaleza es nuestro vaso de laboratorio, y ese experimento tuvo lugar miles de millones de años antes de que existiéramos, en un entorno completamente extraño ".
Zega dijo que el equipo se propuso realizar una "ingeniería inversa" en la composición de las muestras extraterrestres mediante el diseño de nuevos modelos que simularan procesos químicos complejos. al que las muestras estarían sometidas dentro de un disco protoplanetario.
"Estos modelos requieren una íntima convergencia de conocimientos que abarquen los campos de la ciencia planetaria, ciencia de los Materiales, ciencia mineral y microscopía, que fue lo que nos propusimos hacer, "añadió Krishna Muralidharan, coautor del estudio y profesor asociado en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Arizona.
Ilustración de la historia dinámica que pudo haber experimentado la partícula modelada durante la formación del sistema solar. El análisis de las estructuras a escala micro y atómica de la partícula y su combinación con nuevos modelos que simulaban procesos químicos complejos en el disco reveló su posible viaje a lo largo de muchas órbitas alrededor del sol (cuadro de llamada y diagrama a la derecha). Originario no muy lejos de donde se formaría la Tierra, el grano fue transportado al interior, regiones más calientes, y finalmente se lavó en regiones más frías. Crédito:Heather Roper / Tom Zega et al.
Según los datos que los autores pudieron extraer de sus muestras, Llegaron a la conclusión de que la partícula se formó en una región del disco protoplanetario no muy lejos de donde está ahora la Tierra, luego hizo un viaje más cerca del sol, donde hacía progresivamente más calor, sólo para invertir más tarde el curso y lavarse en lugares más fríos y más alejados del sol joven. Finalmente, fue incorporado a un asteroide, que luego se rompió en pedazos. Algunas de esas piezas fueron capturadas por la gravedad de la Tierra y cayeron como meteoritos.
Las muestras para este estudio se tomaron del interior de un meteorito y se consideran primitivas, en otras palabras, no se ve afectado por las influencias ambientales. Se cree que este material primitivo no ha sufrido ningún cambio significativo desde que se formó por primera vez hace más de 4.500 millones de años. lo cual es raro. Si se producen objetos similares en el asteroide Bennu, muestras de las cuales serán devueltas a la Tierra por la misión OSIRIS-REx liderada por UArizona en 2023, Queda por ver. Hasta entonces, los científicos se basan en muestras que caen a la Tierra a través de meteoritos.
"Este material es nuestro único registro de lo que sucedió hace 4.567 mil millones de años en la nebulosa solar, "dijo Venkat Manga, coautor del artículo y profesor asistente de investigación en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Arizona. "Poder observar la microestructura de nuestra muestra a diferentes escalas, hasta la longitud de los átomos individuales, es como abrir un libro ".
Los autores dijeron que estudios como este podrían acercar a los científicos planetarios a "un gran modelo de formación de planetas":una comprensión detallada del material que se mueve alrededor del disco, de qué está compuesto, y cómo da origen al sol y los planetas.
Potentes radiotelescopios como Atacama Large Millimeter / submillimeter Array, o ALMA, en Chile ahora permiten a los astrónomos ver los sistemas estelares a medida que evolucionan, Dijo Zega.
"Quizás en algún momento podamos mirar hacia los discos en evolución, y luego realmente podemos comparar nuestros datos entre disciplinas y comenzar a responder algunas de esas preguntas realmente importantes, ", Dijo Zega." ¿Se están formando estas partículas de polvo donde creemos que lo hicieron en nuestro propio sistema solar? ¿Son comunes a todos los sistemas estelares? ¿Deberíamos esperar el patrón que vemos en nuestro sistema solar (planetas rocosos cerca de la estrella central y gigantes gaseosos más alejados) en todos los sistemas?
"Es un momento realmente interesante para ser científico cuando estos campos evolucionan tan rápidamente, ", agregó." Y es increíble estar en una institución donde los investigadores pueden formar colaboraciones transdisciplinarias entre los principales astronomía, departamentos de ciencia planetaria y de materiales de la misma universidad ".
