Новый тип космической пыли в метеорите может раскрыть происхождение воды на Земле

Учёные обнаружили новый тип звёздной пыли, состав которой указывает на её образование в ходе редкой формы нуклеосинтеза. Это открытие может пролить новый свет на историю воды на Земле.

Команда под руководством космохимиков из Caltech и Университета Виктории в Веллингтоне (Новая Зеландия) изучила древние минеральные агрегаты в метеорите Альенде (упавшем на Землю в 1969 году). В них обнаружили аномально высокое содержание стронция-84 — относительно редкого лёгкого изотопа стронция, названного так из-за 84 нейтронов в его ядре.

"Стронций-84 — часть семейства изотопов, созданных нуклеосинтетическим процессом, названным p-процессом, который остаётся загадочным. Наши результаты указывают на выживание зёрен, возможно, содержащих чистый стронций-84. Это захватывающе, так как физическая идентификация таких зёрен дала бы уникальный шанс узнать больше о p-процессе", — говорит Франсуа Л. Х. Тиссо из Caltech.

Тиссо и его коллега Брюс Л. А. Шарлье из Университета Виктории в Веллингтоне — ведущие авторы исследования, опубликованного в Science Advances 9 июля.

Стронций (Sr), химически активный металл, имеет четыре стабильных изотопа: Sr-84 и его более тяжёлые "кузены" с 86, 87 или 88 нейтронами. Стронций полезен для датировки объектов ранней Солнечной системы, поскольку один из его тяжёлых изотопов, Sr-87, образуется при распаде радиоактивного изотопа рубидия-87 (Rb).

• Рубидий-87 имеет очень большой период полураспада — 49 миллиардов лет (более чем в три раза больше возраста Вселенной).
• Пара Rb–Sr особенно привлекательна для датировки, поскольку рубидий — летучий элемент (испаряется при относительно низких температурах), а стронций — нет.
• Рубидий присутствует в большей пропорции в объектах Солнечной системы, богатых другими летучими веществами (такими как вода), потому что они формировались при более низких температурах.

Контринтуитивно, но отношение Rb/Sr на Земле в 10 раз ниже, чем у богатых водой метеоритов. Это означает, что планета либо аккрецировала из бедных водой (и, следовательно, бедных рубидием) материалов, либо аккрецировала из богатых водой материалов, но со временем потеряла большую часть своей воды и рубидия. Понимание, какой из этих сценариев имел место, важно для понимания происхождения воды на Земле.

Проблема с CAIs

В теории, хронометр Rb–Sr должен помочь разобраться в этих сценариях. Однако состав CAIs (кальций-алюминиевых включений) долгое время мешал учёным определить, сформировалась ли Земля в основном "сухой".

• CAIs — богатые кальцием и алюминием включения в некоторых метеоритах. Им 4,567 миллиарда лет, они представляют собой первые объекты, сконденсировавшиеся в ранней солнечной туманности.
• В отличие от других материалов Солнечной системы, CAIs имеют аномальные соотношения четырёх изотопов стронция, со слегка повышенной долей Sr-84. Это ставит под сомнение валидность системы датирования рубидий-стронций.

Эксперимент и открытие

Чтобы узнать больше, Тиссо и Шарлье взяли девять образцов мелкозернистых CAIs, которые сохранили свою первоначальную "снежинкообразную" текстуру конденсата.

Команда кропотливо выщелачивала эти CAIs, обрабатывая их постепенно более жёсткими кислотами, чтобы удалить более химически активные минералы (и содержащийся в них стронций), оставив концентрат только самой устойчивой фракции.

"Пошаговое выщелачивание — немного грубый инструмент... Но суть нашего открытия в том, что, удалив 99% обычных компонентов внутри CAIs, мы остались с чем-то в высшей степени экзотическим, чего мы не ожидали", — говорит Шарлье.

Результат: финальный образец содержал почти чистый Sr-84, в то время как типичный образец состоит из 0,56% Sr-84.

"Этот сигнал не похож ни на что другое в Солнечной системе", — говорит Тиссо.

Учёные пришли к выводу, что зёрна, несущие эту сигнатуру, должны были сформироваться до рождения Солнечной системы и пережить тот катаклизмический процесс, во время которого звёздные зёрна нагревались до чрезвычайно высоких температур, испарялись, а затем конденсировались в твёрдые материалы.

Выводы и значение

Открытие указывает на вероятное существование в метеоритах нанометровых зёрен, содержащих почти чистый Sr-84, которые образовались в ходе редкого нуклеосинтетического процесса до формирования самой Солнечной системы.

Природа этих зёрен всё ещё остаётся загадкой — об их существовании известно только по изотопному составу стронция. Однако высокие уровни Sr-84 в CAIs предполагают, что Земля и бедные летучими веществами метеориты имеют больше Sr-87, чем CAIs. Это склоняет чашу весов в пользу сценария, при котором Земля аккрецировала с большим количеством воды и летучих элементов, которые были впоследствии потеряны в течение первых нескольких миллионов лет после её формирования.