Chondren können sich aus Hochdruckkollisionen im frühen Sonnensystem gebildet haben.
Ein normaler Wissenschaftler der Universität von Chicago hat viele seiner Kollegen mit seiner radikalen Lösung eines 135 Jahre alten Rätsels der Kosmochemie verblüfft. "Ich bin ein ziemlich nüchterner Typ. Die Leute wussten nicht, was sie plötzlich denken sollten “, sagte Lawrence Grossman, Professor für Geophysik.
Es ging darum, wie viele kleine, glasige Kügelchen in Exemplare der größten Klasse von Meteoriten - den Chondriten - eingebettet waren. Der britische Mineraloge Henry Sorby beschrieb diese als Chondrules bezeichneten Kugeln erstmals 1877. Sorby vermutete, dass es sich um „Tröpfchen feurigen Regens“ handeln könnte, die sich aus der Gas- und Staubwolke des Sonnensystems vor 4,5 Milliarden Jahren verdichteten.
Die Forscher betrachteten Chondrules weiterhin als Flüssigkeitströpfchen, die im Weltraum schwebten, bevor sie sich schnell abkühlten. Aber wie bildete sich die Flüssigkeit? "Es gibt eine Menge Daten, die die Leute verwirrt haben", sagte Grossman.
Dies ist die Wiedergabe eines sonnenähnlichen Sterns durch einen Künstler, wie er im Alter von einer Million Jahren ausgesehen haben könnte. Als Kosmochemiker rekonstruiert Lawrence Grossman von der Universität Chicago die Abfolge der Mineralien, die aus dem Solarnebel, der ursprünglichen Gaswolke, die schließlich die Sonne und die Planeten gebildet hat, kondensiert sind. Illustration von NASA / JPL-Caltech / T. Pyle, SSC
Grossmans Forschung rekonstruiert die Abfolge von Mineralien, die aus dem Solarnebel kondensiert sind, der ursprünglichen Gaswolke, aus der schließlich die Sonne und die Planeten entstanden. Er ist zu dem Schluss gekommen, dass ein Kondensationsprozess Chondren nicht erklären kann. Seine Lieblingstheorie beinhaltet Kollisionen zwischen Planetesimalen, Körpern, die zu Beginn der Geschichte des Sonnensystems durch Gravitation verschmolzen sind. "Das fanden meine Kollegen so schockierend, weil sie die Idee für verrückt hielten", sagte er.
Kosmochemiker wissen mit Sicherheit, dass viele Arten von Chondren, und wahrscheinlich alle, feste Vorläufer hatten. "Die Idee ist, dass Chondren durch Schmelzen dieser bereits vorhandenen Feststoffe gebildet werden", sagte Grossman.
Ein Problem betrifft die Prozesse, die erforderlich sind, um die hohen Nachkondensationstemperaturen zu erreichen, die erforderlich sind, um die zuvor kondensierten festen Silikate zu Chondrule-Tröpfchen zu erhitzen. Verschiedene erstaunliche, aber unbegründete Ursprungstheorien sind aufgetaucht. Möglicherweise erhitzten und schmolzen Kollisionen zwischen Staubpartikeln im sich entwickelnden Sonnensystem die Körner zu Tröpfchen. Oder sie bildeten sich in kosmischen Blitzeinschlägen oder verdichteten sich in der Atmosphäre eines neugebildeten Jupiters.
Ein weiteres Problem ist, dass Chondren Eisenoxid enthalten. Im Solarnebel kondensieren Silikate wie Olivin bei sehr hohen Temperaturen aus gasförmigem Magnesium und Silizium. Nur wenn Eisen oxidiert wird, kann es in die Kristallstrukturen von Magnesiumsilikaten gelangen. Oxidiertes Eisen bildet sich jedoch bei sehr niedrigen Temperaturen im Solarnebel, nachdem Silikate wie Olivin bereits bei Temperaturen von 1.000 Grad höher kondensiert waren.
Bei der Temperatur, bei der Eisen im Solarnebel oxidiert, diffundiert es jedoch zu langsam in die zuvor gebildeten Magnesiumsilikate wie Olivin, um die im Olivin von Chondrules beobachteten Eisenkonzentrationen zu ergeben. Welcher Prozess hätte also zu Chondrules führen können, die durch Schmelzen bereits vorhandener Feststoffe entstanden sind und eisenoxidhaltiges Olivin enthalten?
"Einflüsse auf eisige Planetesimale könnten schnell erhitzte, relativ hochdruckhaltige, wasserreiche Dampfschwaden mit hohen Konzentrationen an Staub und Tröpfchen erzeugt haben, Umgebungen, die für die Bildung von Chondrules günstig sind", sagte Grossman. Grossman und sein UChicago-Co-Autor, der Forschungswissenschaftler Alexei Fedkin, veröffentlichten ihre Ergebnisse in der Juli-Ausgabe von Geochimica et Cosmochimica Acta.
Grossman und Fedkin erarbeiteten die mineralogischen Berechnungen nach früheren Arbeiten in Zusammenarbeit mit Fred Ciesla, Associate Professor für Geophysik, und Steven Simon, Senior Scientist für Geophysik. Um die Physik zu verifizieren, arbeitet Grossman mit Jay Melosh, dem renommierten Universitätsprofessor für Geo- und Atmosphärenwissenschaften an der Purdue University, zusammen, der zusätzliche Computersimulationen durchführen wird, um zu prüfen, ob er nach planetesimalen Kollisionen die Bedingungen für die Bildung von Chondren wiederherstellen kann.
"Ich denke, wir können es schaffen", sagte Melosh.
Langjährige Einwände
Grossman und Melosh kennen sich in den langjährigen Einwänden gegen eine Schlagursache für Chondren bestens aus. "Ich habe viele dieser Argumente selbst verwendet", sagte Melosh.
Grossman bewertete die Theorie neu, nachdem Conel Alexander von der Carnegie Institution of Washington und drei seiner Kollegen ein fehlendes Puzzleteil geliefert hatten. Sie entdeckten eine winzige Prise Natrium - eine Komponente des gewöhnlichen Tafelsalzes - in den Kernen der Olivinkristalle, die in den Chondrules eingebettet waren.
Wenn Olivin aus einer Flüssigkeit mit Chondrule-Zusammensetzung bei Temperaturen von etwa 2.000 Grad Kelvin (3.140 Grad Fahrenheit) kristallisiert, bleibt das meiste Natrium in der Flüssigkeit, wenn es nicht vollständig verdampft. Trotz der extremen Flüchtigkeit von Natrium blieb genug davon in der Flüssigkeit, um im Olivin aufgezeichnet zu werden, was auf die Verdunstungsunterdrückung durch hohen Druck oder hohe Staubkonzentration zurückzuführen ist. Alexander und seinen Kollegen zufolge verdampften nie mehr als 10 Prozent des Natriums aus den erstarrenden Chondrules.
Chondren sind als runde Objekte in diesem Bild eines polierten Dünnschliffs aus dem Bishunpur-Meteoriten aus Indien sichtbar. Die dunklen Körner sind eisenarme Olivinkristalle. Dies ist ein rückgestreutes Elektronenbild, das mit einem Rasterelektronenmikroskop aufgenommen wurde. Foto von Steven Simon
Grossman und seine Kollegen haben die Bedingungen berechnet, die erforderlich sind, um einen höheren Verdunstungsgrad zu verhindern. Sie zeichneten ihre Berechnung hinsichtlich des Gesamtdrucks und der Staubanreicherung im solaren Nebel aus Gas und Staub auf, aus dem sich einige Bestandteile der Chondriten bildeten. "Im Solarnebel ist das nicht möglich", erklärte Grossman. Das hat ihn zu planetesimalen Einschlägen geführt. "Hier erhalten Sie eine hohe Staubanreicherung. Hier können Sie hohen Druck erzeugen. "
Als die Temperatur des Solarnebels 1.800 Grad Kelvin (2.780 Grad Fahrenheit) erreichte, war es zu heiß, als dass irgendein festes Material kondensieren könnte. Bis die Wolke auf 400 Grad Kelvin (260 Grad Fahrenheit) abgekühlt war, war der größte Teil jedoch zu festen Partikeln kondensiert. Grossman hat den größten Teil seiner Karriere damit verbracht, den geringen Prozentsatz von Substanzen zu identifizieren, die während der ersten 200 Grad Abkühlung entstanden sind: Oxide von Calcium, Aluminium und Titan sowie die Silikate. Seine Berechnungen sagen die Kondensation der gleichen Mineralien voraus, die in Meteoriten gefunden werden.
In den letzten zehn Jahren haben Grossman und seine Kollegen eine Reihe von Arbeiten verfasst, in denen verschiedene Szenarien für die Stabilisierung von Eisenoxid untersucht wurden, so dass es bei der Kondensation bei hohen Temperaturen in die Silikate gelangen kann. "Wir haben alles getan, was Sie tun können", sagte Grossman.
Dies beinhaltete das Hinzufügen des Hundert- oder Tausendfachen der Konzentrationen von Wasser und Staub, von denen sie glaubten, dass sie jemals im frühen Sonnensystem existierten. "Das ist Betrug", gab Grossman zu. Es hat sowieso nicht funktioniert.
Stattdessen fügten sie dem System zusätzliches Wasser und Staub hinzu und erhöhten den Druck, um eine neue Idee zu testen, wonach Stoßwellen Chondren bilden könnten. Wenn Stoßwellen einer unbekannten Quelle durch den Solarnebel gegangen wären, hätten sie Feststoffe auf ihrem Weg schnell komprimiert und erhitzt und nach dem Abkühlen der geschmolzenen Partikel Chondren gebildet. Cieslas Simulationen zeigten, dass eine Schockwelle Silikatflüssigkeitströpfchen produzieren kann, wenn er den Druck und die Staub- und Wassermengen um diese ungewöhnlich hohen Mengen erhöht, aber die Tröpfchen würden sich von den heute in Meteoriten tatsächlich vorkommenden Chondren unterscheiden.
Cosmic Shoving Match
Sie unterscheiden sich darin, dass die tatsächlichen Chondren keine Isotopenanomalien enthalten, wohingegen dies bei den simulierten Stoßwellen-Chondren der Fall ist. Isotope sind Atome desselben Elements, die voneinander verschiedene Massen haben. Die Verdampfung von Atomen eines bestimmten Elements aus Tröpfchen, die durch den Sonnennebel driften, führt zur Erzeugung von Isotopenanomalien, die von den normalen relativen Anteilen der Isotope des Elements abweichen. Es ist ein kosmisches Spiel zwischen dichtem Gas und heißer Flüssigkeit. Wenn die Anzahl der Atome eines bestimmten Typs, die aus den heißen Tröpfchen herausgedrückt werden, der Anzahl der Atome entspricht, die aus dem umgebenden Gas hineingedrückt werden, kommt es zu keiner Verdampfung. Dies verhindert die Bildung von Isotopenanomalien.
Das in Chondrules enthaltene Olivin ist ein Problem. Wenn eine Stoßwelle die Chondren bilden würde, würde die Isotopenzusammensetzung des Olivins wie Baumringe konzentrisch in Zonen eingeteilt. Wenn das Tröpfchen abkühlt, kristallisiert Olivin mit der in der Flüssigkeit vorhandenen Isotopenzusammensetzung, beginnend in der Mitte, und wandert dann in konzentrischen Ringen aus.Bisher hat jedoch noch niemand Olivinkristalle mit Isotopen in Chondren gefunden.
Realistisch aussehende Chondren würden sich nur ergeben, wenn die Verdunstung genug unterdrückt würde, um die Isotopenanomalien zu beseitigen. Dies würde jedoch höhere Druck- und Staubkonzentrationen erfordern, die über den Bereich von Cieslas Stoßwellensimulationen hinausgehen.
Die Entdeckung, dass Chondrules ein oder zwei Millionen Jahre jünger sind als Einschlüsse in Meteoriten, die reich an Kalzium und Aluminium sind, hat vor ein paar Jahren geholfen. Diese Einschlüsse sind genau die Kondensate, die nach kosmochemischen Berechnungen in der solaren Nebelwolke kondensieren würden. Dieser Altersunterschied bietet genug Zeit nach der Kondensation, damit sich Planetesimale bilden und zusammenstoßen können, bevor sich Chondren bilden, die dann Teil des radikalen Szenarios von Fedkin und Grossman wurden.
Sie sagen jetzt, dass Planetesimale, die aus metallischem Nickel-Eisen, Magnesiumsilikaten und Wassereis bestehen, aus dem Sonnennebel kondensiert sind, weit vor der Bildung von Chondren. Zersetzende radioaktive Elemente in den Planetesimalen lieferten genügend Wärme, um das Eis zum Schmelzen zu bringen.
Das Wasser sickerte durch die Planetesimale, wechselwirkte mit dem Metall und oxidierte das Eisen. Bei weiterer Erwärmung vor oder während planetesimaler Kollisionen bildeten sich die Magnesiumsilikate unter Einbeziehung von Eisenoxid wieder. Wenn die Planetesimale dann miteinander kollidierten und ungewöhnlich hohe Drücke erzeugten, sprühten Flüssigkeitströpfchen, die Eisenoxid enthielten, heraus.
"Dort kommt dein erstes Eisenoxid her, nicht von dem, was ich in meiner ganzen Karriere studiert habe", sagte Grossman. Er und seine Mitarbeiter haben nun das Rezept für die Herstellung von Chondren rekonstruiert. Sie sind in zwei "Geschmacksrichtungen" erhältlich, abhängig von den Drücken und Staubzusammensetzungen, die sich aus der Kollision ergeben.
"Ich kann mich jetzt zurückziehen", witzelte er.
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