Οι μετεωρίτες δίνουν πληροφορίες για τη συγκλονιστική εμπειρία του σχηματισμού των πλανητών

Από σελίδα του Ιδρύματος Carnegie, 26 Μαρτίου 2002

Η αναζήτηση πλανητών σαν τη Γη, γύρω από άλλα αστέρια είναι μια από τις πιο πιεστικές ερωτήσεις στην αστροφυσική σήμερα. Για να βρουν όμως ποιές συνθήκες είναι απαραίτητες για να σχηματισθούν τέτοια σώματα σαν τη Γη, οι επιστήμονες πάντως, πρέπει πρώτα να λύσουν το μυστήριο για το πώς μας προέκυψε η ίδια Γη. Ο σχηματισμός του κυρίαρχου συστατικού των μετεωριτών -- ένα στερεό που ονομάζεται χονδρίτης, που είναι μικροσκοπικές σφαίρες της τάξεως των χιλιοστών από λιωμένο πυρίτιο,  μπορεί να λύσει το πρόβλημα σε αυτόν τον γρίφο.

Ένα νέο μοντέλο που δημοσιεύεται στο μηνιαίο περιοδικό, Meteoritics and Planetary Science, από τον Δρ Steven J. Desch του Ιδρύματος Carnegie και ενός μέλους του Ιδρύματος Αστροβιολογίας της NASA, και τον Δρ Harold C. Connolly, CUNY-Kingsborough College στο Μπρούκλιν της Νέα Υόρκης, αντιπροσωπεύει ένα τεράστιο βήμα στην κατανόηση του σχηματισμού των χονδριτών και έτσι το τι επακολούθησε στο πρόωρο ηλιακό σύστημά μας. Και συγχρόνως απαντά σε μια σειρά προβλημάτων που έχουν δυσκολέψει τους θεωρητικούς για χρόνια.

Το μοντέλο καθορίζει πώς έλιωσαν οι χονδρίτες καθώς πέρασαν μέσω των κυμάτων κλονισμού στο ηλιακό αέριο νεφέλωμα. Καθώς οι χονδρίτες έλιωσαν, άλλαξαν από τη μορφή της χνουδωτής σκόνης σε στρογγυλές, συμπαγείς σφαίρες, αλλάζοντας τις αεροδυναμικές ιδιότητές τους, και επιτρέποντας έτσι την αύξηση των μεγαλύτερων σωμάτων. Επειδή οι κλονισμοί θα έλιωναν τους χονδρίτες ενωρίς στην εξέλιξη του ηλιακού νεφελώματος, τα αποτελέσματα είναι σύμφωνα με την κοινή ιδέα ότι ο σχηματισμός του χονδρίτη ήταν μια προϋπόθεση για το σχηματισμό των πλανητών σε γενικές γραμμές.

"Αυτό το μοντέλο μπορεί να είναι το πλήκτρο που ξεκλειδώνει τα μυστικά των μετεωριτών," λέει ο Desch. "Είναι το πρώτο,   αρκετά λεπτομερές μοντέλο που εξετάζει τα μετεωρητικά στοιχεία, και μέχρι τώρα έχει περάσει με επιτυχία κάθε δοκιμή. Συγχρόνως, παρέχει ένα φυσικό πλαίσιο για όλα αυτά τα μετεωρητικά στοιχεία, και μας δίνει νέες ιδέες για το σχηματισμό των χονδριτών."

Οι ερευνητές έχουν σκεφθεί επί αρκετό χρόνο με ποιό τρόπο η διαστρική σκόνη έπηζε για να σχηματίζει τους πλανήτες, αλλά δεν έχουν καταλάβει ποιές ήταν οι φυσικές συνθήκες που οδήγησαν στα σωματίδια με μέγεθος της τάξης του ενός  εκατοστού να συγκολληθούν σε πρώτη φάση. Χωρίς κατανόηση της προέλευσης των χονδριτών, το πλούσιο σε στοιχεία αρχείο των μετεωρητών, δεν θα μπορέσει να χρησιμοποιηθεί για να αξιολογήσει την πιθανότητα του σχηματισμού της Γης, που είναι ουσιαστική πληροφορία για την αναζήτηση των άλλων πλανητών που φέρουν ζωή.

"Η Αστροβιολογία είναι σχετική με πολλά θέματα, από τις "πλανητικές δομικές μονάδες" μέσω του σχηματισμού των πλανητών και την δυνατότητα κατοίκησης τους, μέχρι την προέλευση και την εξέλιξη της ζωής," προσθέτει η Δρ Rosalind Grymes, συνεργαζομένη διευθύντρια του Ιδρύματος της NASA Astrobiology, μια ερευνητική κοινοπραξία που παρείχε τη χρηματοδότηση για αυτή τη μελέτη. "Αυτή η εργασία είναι στο πρόωρο τέλος εκείνης της διαδικασίας, και είναι θεμελιώδης για την κατανόηση της ζωής πάνω στη Γη, και τη ζωή πέρα από τη Γη."

Οι επιστήμονες οι ειδικοί στους μετεωρίτες έχουν καθορίσει πολλούς κανόνες που πρέπει να υπακούουν τα μοντέλα του λιωμένου χονδρίτη . Παραδείγματος χάριν, οι επιστήμονες ξέρουν ότι οι χονδρίτες έφθασαν σε μέγιστες θερμοκρασίες 1800 έως 2100 Κ για αρκετά λεπτά. Ότι έλιωσαν σχεδόν εντελώς και ότι ψύχθηκαν μέσω θερμοκρασιών κρυστάλλωσης 1400 έως 1800 Κ με ρυθμoύς πιό αργούς από 100 Kelvin/ώρα, που τους κράτησαν έτσι καυτούς για ώρες. Για να αποτρέψουν την απώλεια σιδήρου από το λιωμένο μέταλλο πυρίτιο, οι πιέσεις έπρεπε να είναι υψηλές -- μεγαλύτερες από 0,001 atm -- που είναι μεγέθη υψηλότερα από τις αναμενόμενες πιέσεις στο νεφέλωμα.

Μια μικρή ποσότητα από χονδρίτες συγκολλήθηκαν ενώ ήταν ακόμα καυτοί και εύκαμπτοι. Αυτές οι "ενώσεις χονδριτών" τείνουν να λιώσουν πιό πολύ και να έχουν ψυχθεί γρηγορότερα από ό,τι ο μέσος χονδρίτης. Η ικανοποίηση όλων αυτών των όρων ταυτόχρονα είναι μια πρόκληση στους θεωρητικούς. Σε ένα άρθρο του 1996 επανεξετάθηκαν εννέα πιθανοί μηχανισμοί, από τον Alan Boss του Ιδρύματος Carnegie της Ουάσιγκτον,   συμπεριλαμβανομένων της αστραπής, των κυμάτων κλονισμού, και των αστεροειδών επιδράσεων. Πιό πρόσφατα ένα άλλο μοντέλο εισήχθηκε, στο οποίο οι χονδρίτες έλιωσαν κοντά στον πρωτοήλιο. Ακόμη έχει εξετασθεί και η ιδέα να έχουν λιώσει από μια κοντινή έκρηξη γάμμα-ακτίνων. Καμία όμως από αυτές τις ιδέες, δεν έχει αναπτυχθεί σε σημείο ώστε να υπολογιστούν με ακρίβεια οι ρυθμοί ψύξης ώστε να ταιριάξουν με αυτό που είναι γνωστό για τους μετεωρίτες.

Το μοντέλο που προτείνεται από τους Desch και Connolly είναι το πιό λεπτομερές φυσικό μοντέλο του πως λιώνει ο χονδρίτης από οποιοδήποτε άλλο μηχανισμό. Συσχετίζει ακριβώς τους ρυθμούς ψύξης των χονδριτών -- ένας βασικός περιορισμός των μετεωριτών-- με τις φυσικές καταστάσεις στο ηλιακό νεφέλωμα. Το μοντέλο περιλαμβάνει διάφορα αποτελέσματα που προηγουμένως ήσαν αγνοημένα, όπως ο διαχωρισμός του αερίου υδρογόνου από το κύμα κλονισμού, η παρουσία σκόνης, και ειδικά μια ακριβής επεξεργασία της μεταφοράς της ακτινοβολίας μέσω του αερίου, της σκόνης, και τους χονδρίτες.

Η πηγή των κυμάτων κλονισμού δεν προσδιορίζεται από τους Desch και Connolly, αλλά προσδιορίζουν τις βαρυτικές αστάθειες σαν ένας πιθανός υποψήφιος, υποθέτοντας ότι ο ηλιακός πρωτοπλανητικός δίσκος νεφελώματος ήταν αρκετά ογκώδης. Και υπάρχουν αρκετοί θεωρητικοί λόγοι που πιστεύεται ότι έτσι ήταν. Το πιο σημαντικό, οι παρατηρήσεις άλλων πρωτοπλανητικών δίσκων στους οποίους σχηματίζονται οι πλανήτες σήμερα, δείχνουν ότι οι αρκετά ογκώδεις δίσκοι μπορούν να είναι κοινοί. Εάν τα κύματα κλονισμού που προκαλούνται από τις αστάθειες της βαρύτητας πραγματοποιούνται σε άλλους πρωτοπλανητικούς δίσκους, τότε οι πιθανότητες των χονδριτών που λιώνουν και σχηματίζουν έτσι τους πλανήτες, συμπεριλαμβανομένων και των πλανητών σαν την Γη γύρω από άλλα αστέρια, αυξάνεται αρκετά.