Астрономы нашли в кометной пыли частицы протосолнечной туманности

Астрономы обнаружили в частицах межпланетной пыли из кометной комы минеральные зерна, состав которых схож с составом межзвездной пыли из молекулярных облаков. Результаты работы дают ограничения на модели формирования Солнечной системы и показывают, что роль пылевых частиц в этом процессе могла заключаться в поставке породообразующих элементов и углеродных соединений в протосолнечную туманность. Статья опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Наиболее общепринятой на сегодняшней день теорией образования Солнечной системы является небулярная гипотеза. Согласно ей наша планетная система сформировалась около 4,6 миллиардов лет назад из протосолнечной туманности — участка огромного молекулярного облака из газа и пыли. Наибольший вклад в дело изучения хода зарождения и эволюции Солнечной системы дает исследование вещества исходной туманности, которое имеет важное значение для понимания химических и физических процессов в областях звездообразования, наличия органических веществ в составе туманности и процессов аккреции и последующей эволюции тел Солнечной системы. Однако частицы досолнечной пыли больше не существуют во внутренней части Солнечной системы в исходном виде, так как давно подверглись процессам разрушения, изменениям фазового и химического состава и включения в состав различных небесных тел. Тем не менее, частицы досолнечной пыли можно обнаружить в метеоритах и малых телах Солнечной системы, таких как кометы и астероиды, на основании изучения их изотопного состава.

Астрономические наблюдения показывают, что межзвездная пыль, находящаяся в составе молекулярных облаков и холодных темных туманностей, включает в себя преимущественно два вида твердых веществ: аморфные силикаты и соединения углерода. Зерна межзвездной пыли бывают размером от 5 до 500 нанометров, возможно наличие включений нелетучих породообразующих элементов, таких как магний, кремний, кальций и железо. Наиболее вероятными «хранилищами» первичного, досолнечного вещества могут быть малые тела Солнечной системы, которые избежали процессов дифференциации, сильного нагрева и изменений химического состава. К ним можно отнести микрометеориты из состава комет, сформировавшихся во внешней части протосолнечной туманности, и богатые углеродом безводные частицы межпланетной пыли (interplanetary dust particles) кометного происхождения. Последние весьма интересны, так как они содержат зерна субмикронных размеров, известные как GEMS (Glass with Embedded Metal and Sulfides). Эти частицы считаются серьезным кандидатом на роль «стройматериала» для Солнечной системы, так как могут иметь необычные изотопные составы, указывающие на их межзвездное происхождение в оттоках газа у других звезд или остатках сверхновых. 

Ранее проводившиеся исследования показывают, что GEMS имеют схожее с Солнцем относительное содержание породообразующих элементов и могут состоять из неорганической матрицы из аморфных силикатов, обогащенной магнием, и минеральных включений (сплава FeNi и сульфидов FeNi), а также практически не содержать углерода. Стоит отметить, что содержание углерода в зернах GEMS остается трудноопределяемым из-за его малого содержания, малого количества анализируемых образцов и возможности их загрязнения земным углеродом. Если зерна GEMS, даже те, которые демонстрируют типичный изотопный состав, содержат углерод в составе органических соединений, то это будет представлять собой новое серьезное ограничение на условия их образования и поможет понять их происхождения — большинство таких частиц могло образоваться за пределами Солнечной системы и «выжить» в составе аморфных силикатов, либо они зародились в протосолнечной туманности при конденсации из газовой фазы.

Группа ученых под руководством Хоупа Ишии (Hope Ishii) представила результаты исследований частиц межпланетной пыли из кометной комы. Анализ состава и структуры частиц велся при помощи методов сканирующей электронной микроскопии, масс-спектрометрии вторичных ионов, энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии и инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье на ультрамикротомированных участках. Частицы пыли имели размер около десяти микрометров и представляли собой смесь из органических углеродных соединений и частиц GEMS, которые содержали нанокристаллы камазита и пирротина, встроенные в аморфную Mg-силикатную матрицу. Были обнаружены углеродные оболочки, как на внешних поверхностях зерен GEMS, так и на субзернах внутри зерен GEMS. Углеродные мантии имеют значительно более высокое содержание кислорода и плотность, чем окружающая углеродная матрица. Это говорит о двух последовательных этапах формирования, в которых GEMS представляют собой тела первого поколения, а углеродные оболочки могут играть важную роль в процессе дальнейшего формирования, облегчая аккрецию зерен, кристаллов и наноглобул GEMS. Более ранние исследования отмечали аномально низкую плотность зерен GEMS относительно кристаллических силикатов, что теперь легко объясняется органическими углеродными соединениями в зернах.

Результаты дают ограничения на условия формирования и процессы агрегации, приводящие к образованию зерен GEMS в частицах межпланетной пыли. Органические углеродные соединения в частицах пыли разрушаются при температурах выше 450 кельвинов, что указывает на то, что GEMS не могли зародиться во внутренней, горячей части протосолнечной туманности, а образовывались в ходе процессов аккреции, разрушения и аморфизации в холодной среде, незащищенной от космического излучения, такой как внешняя часть протосолнечной туманности или близлежащая часть молекулярного облака, и, в дальнейшем, поступали во внутренние части зарождающейся Солнечной системы. В этом случае GEMS выступали в качестве строительных «кирпичиков», несущих в себе породообразующие элементы и разнообразные углеродные соединения из холодного молекулярного облака в протосолнечную туманность.

Ранее мы рассказывали о том, как межпланетную пыль обвинили в сбоях работы спутников, почему взрывы сверхновых оказались основными поставщиками пыли в молодых галактиках и откуда на крышах домов на Земле взялась космическая пыль.

Александр Войтюк