Illustrazione artistica del primo sistema solare, in un momento in cui nessun pianeta si era ancora formato. Una nuvola vorticosa di gas e polvere circondava il giovane sole. Lo spaccato attraverso questo cosiddetto disco protoplanetario mostra la sua struttura tridimensionale. Credito:Heather Roper
Un team di ricerca guidato dall'Università dell'Arizona ha ricostruito con dettagli senza precedenti la storia di un granello di polvere che si è formato durante la nascita del sistema solare più di 4,5 miliardi di anni fa. I risultati forniscono approfondimenti sui processi fondamentali alla base della formazione dei sistemi planetari, molti dei quali sono ancora avvolti nel mistero.
Per lo studio, il team ha sviluppato un nuovo tipo di quadro, che combina meccanica quantistica e termodinamica, simulare le condizioni alle quali il grano è stato esposto durante la sua formazione, quando il sistema solare era un disco vorticoso di gas e polvere noto come disco protoplanetario o nebulosa solare. Confrontando le previsioni del modello con un'analisi estremamente dettagliata della composizione chimica e della struttura cristallina del campione, insieme a un modello di come la materia è stata trasportata nella nebulosa solare, ha rivelato indizi sul viaggio del grano e sulle condizioni ambientali che lo hanno modellato lungo il percorso.
Il grano analizzato nello studio è una delle numerose inclusioni, note come inclusioni ricche di calcio-alluminio, o CAI, scoperto in un campione del meteorite Allende, che cadde sullo stato messicano di Chihuahua nel 1969. I CAI sono di particolare interesse perché si pensa siano tra i primi solidi formatisi nel sistema solare più di 4,5 miliardi di anni fa.
Simile a come i timbri in un passaporto raccontano una storia sul viaggio di un viaggiatore e si fermano lungo la strada, le strutture su scala micro e atomica dei campioni sbloccano una registrazione delle loro storie di formazione, che erano controllati dagli ambienti collettivi a cui erano esposti.
"Per quanto ne sappiamo, il nostro articolo è il primo a raccontare una storia di origine che offre indizi sui probabili processi avvenuti alla scala delle distanze astronomiche con ciò che vediamo nel nostro campione alla scala delle distanze atomiche, " ha detto Tom Zega, un professore del Lunar and Planetary Laboratory dell'Università dell'Arizona e il primo autore dell'articolo, pubblicato in Il giornale di scienze planetarie.
Zega e il suo team hanno analizzato la composizione delle inclusioni incorporate nel meteorite utilizzando microscopi elettronici a trasmissione a scansione a risoluzione atomica all'avanguardia, uno presso il Kuiper Materials Imaging and Characterization Facility di UArizona, e il suo microscopio gemello situato nello stabilimento Hitachi di Hitachinaka, Giappone.
Una fetta attraverso un meteorite Allende rivela varie particelle sferiche, noto come condrule. L'"isola" di forma irregolare a sinistra del centro è un'inclusione ricca di calcio-alluminio, o CAI. Il grano in questo studio è stato isolato da tale CAI. Credito:Shiny Things/Wikimedia Commons
Si è scoperto che le inclusioni sono costituite principalmente da tipi di minerali noti come spinello e perovskite, che si trovano anche nelle rocce della Terra e sono allo studio come materiali candidati per applicazioni come la microelettronica e il fotovoltaico.
Tipi simili di solidi si trovano in altri tipi di meteoriti noti come condriti carboniose, che sono particolarmente interessanti per gli scienziati planetari in quanto sono noti per essere avanzi della formazione del sistema solare e contengono molecole organiche, compresi quelli che possono aver fornito le materie prime per la vita.
L'analisi precisa della disposizione spaziale degli atomi ha consentito al team di studiare con grande dettaglio la composizione delle strutture cristalline sottostanti. Con sorpresa della squadra, alcuni dei risultati erano in contrasto con le attuali teorie sui processi fisici ritenuti attivi all'interno dei dischi protoplanetari, spingendoli a scavare più a fondo.
"La nostra sfida è che non sappiamo quali percorsi chimici abbiano portato all'origine di queste inclusioni, " disse Zega. "La natura è il nostro bicchiere da laboratorio, e quell'esperimento ha avuto luogo miliardi di anni prima che esistessimo, in un ambiente completamente alieno."
Zega ha affermato che il team ha deciso di "reverse-engineering" la composizione dei campioni extraterrestri progettando nuovi modelli che simulassero processi chimici complessi, a cui sarebbero sottoposti i campioni all'interno di un disco protoplanetario.
"Tali modelli richiedono un'intima convergenza di competenze che abbracciano i campi della scienza planetaria, scienza dei materiali, scienze minerarie e microscopia, che era quello che ci siamo proposti di fare, "aggiunse Krishna Muralidharan, un coautore dello studio e un professore associato nel Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali dell'UArizona.
Illustrazione della storia dinamica che la particella modellata potrebbe aver vissuto durante la formazione del sistema solare. L'analisi delle strutture su scala micro e atomica della particella e combinandole con nuovi modelli che simulavano processi chimici complessi nel disco ha rivelato il suo possibile viaggio nel corso di molte orbite attorno al sole (riquadro e diagramma a destra). Nato non lontano da dove si sarebbe formata la Terra, il grano veniva trasportato nell'interno, regioni più calde, e infine lavato in regioni più fredde. Credito:Heather Roper/Tom Zega et al.
Sulla base dei dati che gli autori sono stati in grado di ricavare dai loro campioni, hanno concluso che la particella si è formata in una regione del disco protoplanetario non lontano da dove si trova ora la Terra, poi fece un viaggio più vicino al sole, dove faceva progressivamente più caldo, solo per poi invertire la rotta e lavarsi nelle parti più fresche più lontane dal giovane sole. Infine, è stato incorporato in un asteroide, che poi si è fatto a pezzi. Alcuni di quei pezzi furono catturati dalla gravità terrestre e caddero come meteoriti.
I campioni per questo studio sono stati prelevati dall'interno di un meteorite e sono considerati primitivi, in altre parole, insensibile agli influssi ambientali. Si ritiene che tale materiale primitivo non abbia subito cambiamenti significativi da quando si è formato per la prima volta più di 4,5 miliardi di anni fa, che è raro. Se oggetti simili si verificano nell'asteroide Bennu, campioni dei quali saranno restituiti alla Terra dalla missione OSIRIS-REx guidata dall'UArizona nel 2023, resta da vedere. Fino ad allora, gli scienziati si affidano a campioni che cadono sulla Terra tramite meteoriti.
"Questo materiale è la nostra unica registrazione di ciò che è accaduto 4.567 miliardi di anni fa nella nebulosa solare, " ha detto Venkat Manga, un co-autore del documento e un assistente professore di ricerca presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali dell'UArizona. "Essere in grado di osservare la microstruttura del nostro campione a diverse scale, fino alla lunghezza dei singoli atomi, è come aprire un libro."
Gli autori hanno affermato che studi come questo potrebbero avvicinare gli scienziati planetari a un "grande modello di formazione del pianeta", una comprensione dettagliata del materiale che si muove attorno al disco, da cosa è composto, e come dà origine al sole e ai pianeti.
Potenti radiotelescopi come l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, o ALMA, in Cile ora consentono agli astronomi di vedere i sistemi stellari mentre si evolvono, ha detto Zega.
"Forse a un certo punto potremo sbirciare nei dischi in evoluzione, e poi possiamo davvero confrontare i nostri dati tra le discipline e iniziare a rispondere ad alcune di quelle domande davvero grandi, " ha detto Zega. "Queste particelle di polvere si stanno formando dove pensiamo che abbiano fatto nel nostro sistema solare? Sono comuni a tutti i sistemi stellari? Dovremmo aspettarci lo schema che vediamo nel nostro sistema solare - pianeti rocciosi vicini alla stella centrale e giganti gassosi più lontani - in tutti i sistemi?
"È un momento davvero interessante per essere uno scienziato quando questi campi si stanno evolvendo così rapidamente, " ha aggiunto. "Ed è fantastico essere in un'istituzione in cui i ricercatori possono formare collaborazioni transdisciplinari tra i principali astronomi, dipartimenti di scienze planetarie e dei materiali presso la stessa università."
