Circa 4,6 miliardi di anni fa, un'enorme nuvola di gas idrogeno e polvere è crollata sotto il suo stesso peso, alla fine si appiattisce in un disco chiamato nebulosa solare. La maggior parte di questo materiale interstellare si è contratto al centro del disco per formare il sole, e parte del gas e della polvere rimanenti della nebulosa solare si sono condensati per formare i pianeti e il resto del nostro sistema solare.

Ora gli scienziati del MIT e i loro colleghi hanno stimato la durata della nebulosa solare, una fase chiave durante la quale gran parte dell'evoluzione del sistema solare ha preso forma.

Questa nuova stima suggerisce che i giganti gassosi Giove e Saturno devono essersi formati entro i primi 4 milioni di anni dalla formazione del sistema solare. Per di più, devono aver completato la migrazione a gas delle loro posizioni orbitali a quest'ora.

"Succedono così tante cose proprio all'inizio della storia del sistema solare, "dice Benjamin Weiss, professore di terra, atmosferico, e scienze planetarie al MIT. "Naturalmente i pianeti si evolvono dopo, ma la struttura su larga scala del sistema solare è stata essenzialmente stabilita nei primi 4 milioni di anni."

Weiss e il postdoc del MIT Huapei Wang, il primo autore di questo studio, riportare i loro risultati oggi sulla rivista Scienza . I loro coautori sono Brynna Downey, Clemente Suavet, e Roger Fu del MIT; Xue-Ning Bai dell'Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics; Jun Wang e Jiajun Wang del Brookhaven National Laboratory; e Maria Zucolotto del Museo Nazionale di Rio de Janeiro.

Registratori spettacolari

Studiando gli orientamenti magnetici in campioni incontaminati di antichi meteoriti formatisi 4,653 miliardi di anni fa, il team ha determinato che la nebulosa solare è durata da 3 a 4 milioni di anni. Si tratta di una cifra più precisa rispetto alle stime precedenti, che ha collocato la vita della nebulosa solare da qualche parte tra 1 e 10 milioni di anni.

Il team è giunto alla sua conclusione dopo aver analizzato attentamente le angrites, che sono alcune delle rocce planetarie più antiche e incontaminate. Le angriti sono rocce ignee, molti dei quali si pensa siano eruttati sulla superficie degli asteroidi molto presto nella storia del sistema solare e poi si siano rapidamente raffreddati, congelando le loro proprietà originali, compresa la loro composizione e i segnali paleomagnetici, sul posto.

Gli scienziati considerano le angriti come eccezionali registratori del primo sistema solare, tanto più che le rocce contengono anche elevate quantità di uranio, che possono utilizzare per determinare con precisione la loro età.

"Le angrites sono davvero spettacolari, "Dice Weiss. "Molti di loro sembrano quelli che potrebbero scoppiare alle Hawaii, ma si sono raffreddati su un planetesimo molto precoce."

Weiss e i suoi colleghi hanno analizzato quattro angriti caduti sulla Terra in luoghi e tempi diversi.

"Uno è caduto in Argentina, e fu scoperto quando un contadino stava arando il suo campo, "Dice Weiss. "Sembrava un manufatto indiano o una ciotola, e il proprietario terriero lo tenne vicino a questa casa per circa 20 anni, finché non decise finalmente di farlo analizzare, e si è rivelato essere un meteorite davvero raro."

Gli altri tre meteoriti sono stati scoperti in Brasile, Antartide, e il deserto del Sahara. Tutti e quattro i meteoriti erano straordinariamente ben conservati, non hanno subito alcun riscaldamento aggiuntivo o grandi cambiamenti compositivi da quando si sono formati originariamente.

Misurare piccoli compassi

Il team ha ottenuto campioni da tutti e quattro i meteoriti. Misurando il rapporto tra uranio e piombo in ciascun campione, studi precedenti avevano stabilito che i tre più antichi si sono formati circa 4,653 miliardi di anni fa. I ricercatori hanno quindi misurato la magnetizzazione residua delle rocce utilizzando un magnetometro di precisione nel laboratorio di paleomagnetismo del MIT.

"Gli elettroni sono piccoli aghi di bussola, e se ne allinei un mucchio in una roccia, la roccia si magnetizza, " Weiss spiega. "Una volta allineati, che può accadere quando una roccia si raffredda in presenza di un campo magnetico, poi restano così. Questo è ciò che usiamo come registrazioni di antichi campi magnetici".

Quando hanno messo le angriti nel magnetometro, i ricercatori hanno osservato pochissima magnetizzazione residua, indicando che c'era pochissimo campo magnetico presente quando si sono formate le angriti.

Il team ha fatto un ulteriore passo avanti e ha cercato di ricostruire il campo magnetico che avrebbe prodotto gli allineamenti delle rocce, o la mancanza di. Fare così, hanno riscaldato i campioni, poi li hanno nuovamente raffreddati in un campo magnetico controllato in laboratorio.

"Possiamo continuare a ridurre il campo di laboratorio e riprodurre ciò che è nel campione, "Dice Weiss. "Troviamo che sono ammessi solo campi di laboratorio molto deboli, data la scarsa magnetizzazione residua in queste tre angriti."

Nello specifico, il team ha scoperto che la magnetizzazione residua delle angriti potrebbe essere stata prodotta da un campo magnetico estremamente debole di non più di 0,6 microtesla, 4,653 miliardi di anni fa, o, circa 4 milioni di anni dopo l'inizio del sistema solare.

Nel 2014, Il gruppo di Weiss ha analizzato altri antichi meteoriti che si sono formati nei primi 2-3 milioni di anni del sistema solare, e ha trovato prove di un campo magnetico che era circa 10-100 volte più forte, circa 5-50 microtesla.

"Si prevede che una volta che il campo magnetico scende di un fattore 10-100 nel sistema solare interno, che ora abbiamo mostrato, la nebulosa solare se ne va molto velocemente, entro 100, 000 anni, "Dice Weiss. "Quindi, anche se la nebulosa solare non fosse scomparsa da 4 milioni di anni, era praticamente in uscita".

I pianeti si allineano

La nuova stima dei ricercatori è molto più precisa delle stime precedenti, che si basavano su osservazioni di stelle lontane.

"Cosa c'è di più, il paleomagnetismo delle angriti limita la vita della nostra nebulosa solare, mentre le osservazioni astronomiche ovviamente misurano altri sistemi solari lontani, " aggiunge Wang. "Poiché la vita della nebulosa solare influisce in modo critico sulle posizioni finali di Giove e Saturno, influenza anche la successiva formazione della Terra, la nostra casa, così come la formazione di altri pianeti terrestri."

Ora che gli scienziati hanno un'idea migliore di quanto tempo è durata la nebulosa solare, possono anche restringere il modo in cui si sono formati pianeti giganti come Giove e Saturno. I pianeti giganti sono per lo più fatti di gas e ghiaccio, e ci sono due ipotesi prevalenti su come tutto questo materiale si sia unito come pianeta. Uno suggerisce che i pianeti giganti si siano formati dal collasso gravitazionale del gas in condensazione, come faceva il sole. L'altro suggerisce che siano sorti in un processo in due fasi chiamato accrescimento del nucleo, in cui pezzi di materiale frantumato e fuso insieme per formare rocce più grandi, corpi ghiacciati. Una volta che questi corpi furono abbastanza massicci, avrebbero potuto creare una forza gravitazionale che ha attratto enormi quantità di gas per formare infine un pianeta gigante.

Secondo le previsioni precedenti, pianeti giganti che si formano per collasso gravitazionale di gas dovrebbero completare la loro formazione generale entro 100, 000 anni. accrescimento del nucleo, in contrasto, in genere si pensa che richieda molto più tempo, nell'ordine da 1 a diversi milioni di anni. Weiss dice che se la nebulosa solare fosse presente nei primi 4 milioni di anni di formazione del sistema solare, questo darebbe supporto allo scenario di accrescimento del nucleo, che è generalmente favorito tra gli scienziati.

"I giganti gassosi devono essersi formati 4 milioni di anni dopo la formazione del sistema solare, " dice Weiss. "I pianeti si muovevano dappertutto, dentro e fuori su grandi distanze, e si pensa che tutto questo movimento sia stato guidato dalle forze gravitazionali del gas. Stiamo dicendo che tutto questo è successo nei primi 4 milioni di anni".