Ziarna asteroid rzucają światło na pochodzenie zewnętrznego Układu Słonecznego

Naukowcy z MIT i innych ośrodków przeanalizowali cząstki asteroidy Ryugu, które zostały zebrane przez misję Hayabusa2 Japońskiej Agencji Badań Kosmicznych (JAXA) i sprowadzone na Ziemię w 2020 r. Naukowcy uważają, że Ryugu uformował się na obrzeżach wczesnego Układu Słonecznego przed migracją w w kierunku pasa asteroid, ostatecznie osiadając na orbicie pomiędzy Ziemią a Marsem.

Zespół przeanalizował cząstki Ryugu pod kątem oznak jakiegokolwiek starożytnego pola magnetycznego, które mogło występować, gdy asteroida po raz pierwszy nabierała kształtu. Wyniki sugerują, że gdyby istniało pole magnetyczne, byłoby ono bardzo słabe. Co najwyżej takie pole miałoby wielkość około 15 mikrotesli. (Obecne pole magnetyczne Ziemi wynosi około 50 mikrotesli.)

Mimo to naukowcy szacują, że tak niskie natężenie pola wystarczyłoby, aby połączyć pierwotny gaz i pył, tworząc asteroidy zewnętrznego Układu Słonecznego i potencjalnie odegrać rolę w powstawaniu gigantycznych planet, od Jowisza po Neptuna.

Wyniki zespołu, które dzisiaj opublikowano w czasopiśmie Postępy AGUpokazują po raz pierwszy, że dalszy Układ Słoneczny prawdopodobnie charakteryzuje się słabym polem magnetycznym. Naukowcy wiedzą, że pole magnetyczne ukształtowało wewnętrzny Układ Słoneczny, w którym powstała Ziemia i planety ziemskie. Jednak aż do teraz nie było jasne, czy taki wpływ magnetyczny rozciągał się na bardziej odległe regiony.

„Pokazujemy, że gdziekolwiek teraz spojrzymy, istniało jakieś pole magnetyczne odpowiedzialne za dostarczanie masy do miejsc, w których formowało się Słońce i planety” – mówi autor badania Benjamin Weiss, profesor Ziemi i Ziemi im. Roberta R. Shrocka Nauk Planetarnych na MIT. „To teraz dotyczy planet zewnętrznych Układu Słonecznego.”

Głównym autorem badania jest dr Elias Mansbach PhD ’24, obecnie postdoktorat na Uniwersytecie Cambridge. Współautorami MIT są Eduardo Lima, Saverio Cambioni i Jodie Ream, a także Michael Sowell i Joseph Kirschvink z Caltech, Roger Fu z Harvard University, Xue-Ning Bai z Tsinghua University, Chisato Anai i Atsuko Kobayashi z Kochi Advanced Marine Core Instytut Badawczy i Hironori Hidaka z Tokijskiego Instytutu Technologii.

Odległe pole

Około 4,6 miliarda lat temu Układ Słoneczny uformował się z gęstej chmury międzygwiazdowego gazu i pyłu, która zapadła się, tworząc wirujący dysk materii. Większość tej materii grawitowała w kierunku środka dysku, tworząc Słońce. Pozostałe kawałki utworzyły mgławicę słoneczną z wirującego, zjonizowanego gazu. Naukowcy podejrzewają, że interakcje pomiędzy nowo powstałym Słońcem a zjonizowanym dyskiem wygenerowały pole magnetyczne, które przenikało przez mgławicę, pomagając napędzać akrecję i przyciągać materię do wewnątrz, tworząc planety, asteroidy i księżyce.

„To pole mgławicowe zniknęło około 3 do 4 milionów lat po powstaniu Układu Słonecznego i jesteśmy zafascynowani jego rolą we wczesnym formowaniu się planet” – mówi Mansbach.

Naukowcy ustalili wcześniej, że pole magnetyczne było obecne w całym wewnętrznym Układzie Słonecznym – obszarze rozciągającym się od Słońca do około 7 jednostek astronomicznych (AU), aż do dzisiejszego Jowisza. (Jedna jednostka astronomiczna to odległość między Słońcem a Ziemią.) Intensywność tego wewnętrznego pola mgławicowego wahała się pomiędzy 50 a 200 mikrotesli i prawdopodobnie miała wpływ na powstawanie wewnętrznych planet ziemskich. Takie szacunki wczesnego pola magnetycznego opierają się na meteorytach, które wylądowały na Ziemi i uważa się, że powstały w wewnętrznej mgławicy.

„Ale jak daleko sięgało to pole magnetyczne i jaką rolę odgrywało w bardziej odległych obszarach, nadal nie jest pewne, ponieważ nie było wielu próbek, które mogłyby nam powiedzieć o zewnętrznym Układzie Słonecznym” – mówi Mansbach.

Przewijanie taśmy

Zespół miał okazję przeanalizować próbki z zewnętrznego Układu Słonecznego za pomocą Ryugu – asteroidy, która, jak się uważa, powstała we wczesnym zewnętrznym Układzie Słonecznym, poza 7 jednostkami astronomicznymi, i ostatecznie została wprowadzona na orbitę w pobliżu Ziemi. W grudniu 2020 r. misja JAXA Hayabusa 2 wysłała na Ziemię próbki asteroidy, dając naukowcom pierwsze spojrzenie na potencjalny relikt wczesnego odległego Układu Słonecznego.

Z zwróconych próbek badacze pozyskali kilka ziaren, każde o wielkości około milimetra. Umieścili cząstki w magnetometrze – instrumencie w laboratorium Weissa, który mierzy siłę i kierunek namagnesowania próbki. Następnie zastosowali zmienne pole magnetyczne, aby stopniowo rozmagnesować każdą próbkę.

„Podobnie jak w magnetofonie, powoli przewijamy zapis magnetyczny próbki” – wyjaśnia Mansbach. „Następnie szukamy spójnych trendów, które powiedzą nam, czy powstał w polu magnetycznym”.

Ustalili, że próbki nie zawierały wyraźnych śladów zachowanego pola magnetycznego. Sugeruje to, że albo w zewnętrznym Układzie Słonecznym, w którym powstała asteroida, nie było pola mgławicowego, albo pole to było tak słabe, że nie zostało zarejestrowane w ziarnach asteroidy. W tym drugim przypadku zespół szacuje, że natężenie takiego słabego pola nie przekraczałoby 15 mikrotesli.

Naukowcy ponownie przeanalizowali także dane z wcześniej badanych meteorytów. W szczególności przyjrzeli się „niezgrupowanym chondrytom węglowym” – meteorytom posiadającym właściwości charakterystyczne dla tych, które powstały w odległych częściach Układu Słonecznego. Naukowcy oszacowali, że próbki nie były na tyle stare, aby uformować się przed zniknięciem mgławicy słonecznej. Zatem jakikolwiek zapis pola magnetycznego zawarty w próbkach nie odzwierciedlałby pola mgławicowego. Jednak Mansbach i jego koledzy postanowili przyjrzeć się bliżej.

„Przeanalizowaliśmy ponownie wiek tych próbek i odkryliśmy, że znajdują się one bliżej początku Układu Słonecznego, niż wcześniej sądzono” – mówi Mansbach. „Uważamy, że te próbki powstały w tym dystalnym, zewnętrznym obszarze. I jedna z tych próbek rzeczywiście ma dodatnie pole detekcji na poziomie około 5 mikrotesli, co jest zgodne z górną granicą wynoszącą 15 mikrotesli”.

Ta zaktualizowana próbka w połączeniu z nowymi cząstkami Ryugu sugeruje, że w zewnętrznym Układzie Słonecznym, poza 7 jednostkami astronomicznymi, występuje bardzo słabe pole magnetyczne, które było jednak wystarczająco silne, aby wciągnąć materię z obrzeży i ostatecznie uformować zewnętrzne ciała planetarne, z Jowisz do Neptuna.

„Kiedy jesteś dalej od Słońca, słabe pole magnetyczne ma duże znaczenie” – zauważa Weiss. „Przewidywano, że tam nie musi być tak silny i właśnie to widzimy”.

Zespół planuje poszukać więcej dowodów na istnienie dalszych pól mgławicowych na podstawie próbek z innej odległej asteroidy, Bennu, które zostały dostarczone na Ziemię we wrześniu 2023 roku przez należącą do NASA sondę kosmiczną OSIRIS-REx.

„Bennu wygląda bardzo podobnie do Ryugu i z niecierpliwością czekamy na pierwsze wyniki z tych próbek” – mówi Mansbach.

Badania te były częściowo wspierane przez NASA.