Звезден прах от метеорит: как датираха най-старите зърна, намерени на Земята

През януари 2020 г. екип от космохимици публикува в „Proceedings of the National Academy of Sciences“ оценки за възрастта на микроскопични зърна от метеорита Мърчисън. Метеоритът избухва в небето над австралийския град Мърчисън през септември 1969 г. Първоначалната му маса е над 100 кг, а Field Museum притежава 52 кг от него. Според авторите част от зърната са образувани милиарди години преди Слънцето и са най-старите твърди материали, изследвани в лаборатория.

Какво са предслънчевите зърна

Зърната са от силициев карбид (SiC) и достигат размер около микрометър. Необичайният им състав подсказва, че са по-стари от Слънчевата система. Най-вероятно са кондензирали в изхвърлените обвивки на звезди от асимптотичния гигантски клон (AGB). Оттам са попаднали в междузвездното пространство, а когато се формира Слънчевата система, са се вградили в скали като Мърчисън.

Такива зърна са редки и трудни за откриване, защото са вградени дълбоко в скалата. От 1990-те години се извличат така: метеоритът се смила на прах, а силикатната му част се разтваря в киселина. Екипът на космохимика Филип Хек (Philipp Heck) работи със сканираща електронна микроскопия, вторична йонна масспектрометрия и масспектрометрия на благородни газове.

Как се определя възрастта на прах

Класическото радиоактивно датиране тук не върши работа. Според статията началният изотопен състав на зърната е неизвестен, а съвременните аналитични методи имат ограничения. Затова екипът измерва друго: колко дълго зърното е било облъчвано от галактически космически лъчи.

Космическите лъчи удрят зърната и създават в тях нови изотопи на неона, хелия и лития. Главният хронометър е неон-21. Колкото повече неон-21 съдържа зърното, толкова по-дълго е летяло в междузвездното пространство. Принципът е като при ведро дъждовна вода: количеството показва колко време е стояло навън, стига дъждът да е валял с постоянна сила.

Изследователите измерват неон-21 и хелий-3 в около 40 зърна. За изчисленията ползват физичен модел на космическите лъчи в междузвездната среда, съобразен и с данни на сондата „Вояджър 1“. Резултатът е продължителността на междузвездния „престой“ на зърното преди образуването на Слънчевата система, което става преди около 4,6 млрд. години.

Какво откриха

Престоят на зърната варира от около 3,9 ± 1,6 млн. години до около 3 ± 2 млрд. години. Около 60% от зърната са прекарали в междузвездното пространство под 300 млн. години, а поне 8% са били там повече от 1 млрд. години. Най-старото зърно е образувано, според оценката, около 3 ± 2 млрд. години преди Слънчевата система, тоест преди приблизително 7 млрд. години. Грешката е голяма. Предишният рекорд за лабораторно датиран звезден прах е около 1 млрд. години преди Слънчевата система.

Хек свързва големия брой млади зърна с „бейби бум“ на звездообразуването в Галактиката. Според статията той може да е станал преди около 7 млрд. години: тогава много звезди достигат етапа, в който изхвърлят прах. Авторите сами наричат тази връзка спекулативна.

Остава и въпросът как най-старите зърна са оцелели. Ударните вълни на свръхновите би трябвало да разрушават такъв прах. Екипът допуска, че поне 12 зърна са били части от по-големи агрегати в междузвездната среда, което ги е предпазило.

Какво добавиха следващите изследвания

По-късни статии, които цитират работата, разглеждат откъде идват такива зърна. През юли 2020 г. в „The Astrophysical Journal“ излиза анализ, според който повечето големи (с размер около микрометър) зърна от SiC са образувани в богати на въглерод AGB звезди с повече метали от Слънцето. Авторите отбелязват, че малките зърна от около 0,2 микрометра се предвижда да се образуват в обвивките на такива звезди. Големите могат да порастат само ако зародишите на прах са с два до три порядъка по-малко от стандартната стойност. Затова очакват, че при по-висока металичност броят на зародишите намалява и зърната растат по-едри.

През октомври 2020 г. в „Astronomy & Astrophysics“ друг екип моделира химичната еволюция на Млечния път в района, който е обогатил със звезден прах Слънчевата система преди около 4,57 млрд. години. Според модела над 90% от предслънчевите SiC зърна в примитивни метеорити идват от AGB звезди, най-често с маса около две слънчеви и металичност, близка до слънчевата. Втората работа разглежда зърната като цяло, а първата само големите, така че произходът на най-едрите зърна остава открит въпрос.

Защо датировката е приблизителна

Възрастите са резултат от модел, а не пряко измерване. Те предполагат постоянен поток на космически лъчи и зависят от корекции за изотопите, които зърната са загубили при ядрени откати. Датировките по хелий-3 са по-малко надеждни от тези по неон-21. Част от неона може да идва от ранното активно Слънце, а при петте най-млади зърна този принос може да е решаващ.

Пробата е малка. С „най-старо на Земята“ авторите имат предвид материал, намерен тук, а не образуван тук. Те допускат, че още по-стари зърна в други метеорити биха разширили картината.