Метеорит — це, по суті, той, хто вижив. Він починається як метеороїд, шматок каменю або металу, що дрейфує в порожнечі між планетами. Більшість із них повністю згоряє при вході в нашу атмосферу. Але дехто виявляється досить міцним, щоб пережити вогняне падіння. Вони пробиваються крізь небо та приземляються на землю. Цей фрагмент ми і називаємо метеоритом.
Визначення згодом розширилося. Ми використовуємо його не тільки для об’єктів, що падають на землю. Якщо камінь падає на інше велике небесне тіло, ми все одно називаємо його метеоритом. Вчені знайшли подібні фрагменти у зразках, доставлених із Місяця. Навіть на Марсі роботизований ровер Opportunity виявив принаймні один метеорит, що лежить на поверхні червоної планети.
Гіганти та порошинки
Розміри сильно змінюються. Найбільший відомий метеорит на Землі це монстр на ім’я Хоаба. Він був виявлений у Намібії у 1920 році. З того часу його не переміщали. Камінь має діаметр 2,7 метри. Це дев’ять футів твердої космічної породи. Він важить майже 60 тонн. Матеріал є сплавом заліза і нікелю. Він величезний.
Найбільший метеорит, виявлений на Землі, був знайдений в 1920 році в Намібії і отримав назву метеорит Хоаба.
З іншого боку спектру ми маємо мікрометеорити. Вони крихітні. Їх розмір варіюється від кількох сотень мікрометрів до 10 мікрометрів. Вони походять із постійної хмари пилу, що заповнює міжпланетний простір. Ви, мабуть, вдихає деякі з них щодня. Це мікроскопічні залишки космічних зіткнень.
Звідки насправді беруться метеорити?
Більшість каменів, які ви знаходите на землі, не є космічними об’єктами у тому сенсі, в якому ви, можливо, думаєте. Вони є фрагментами астероїдів. Конкретніше, вони походять із внутрішнього головного поясу. Це зона з відривом від 2,1 до 3,3 астрономічних одиниць (а.е.) від Сонця. Одна а. – Це відстань від Землі до Сонця. Це приблизно 150 мільйонів кілометрів.
Тут Юпітер грає брудний жарт. Його гравітація тягне ці астероїди. Він обурює їхні орбіти. Він відправляє їх траєкторіями, що перетинають орбіту Землі. Так вони попадають сюди.
Але не все сформувалося у цій конкретній зоні. Орбіти мігрують. Процеси переміщують матеріал упродовж мільйонів років. Проте більшість окремих метеоритів, які ми збираємо, сягають цього внутрішнього поясу.
Місяць та Марс – рідкісні відвідувачі. Менш одного відсотка всіх метеоритів походять із них. Можна відстежити їхнє походження до конкретних ударів, які викинули уламки у космос.
Комети – це інша справа. Вони залишають мікрометеорити. Це крихітні зерна, що дрейфують у верхній атмосфері. Дослідження метеорів показують, що деякі кометні фрагменти міцні. Вони виживають у спеку. Вони досягають поверхні. Але вчені згодні з тим, що нічого з комет не потрапляє в офіційні колекції метеоритів. Матеріал дуже тендітний. Він перетворюється на пил. Він не падає у вигляді каменю.
Навіщо вивчати це космічне каміння?
Головна причина вивчення метеоритів – час. Астероїди та комети є капсулами часу. Вони зберігають свідчення раннього періоду Сонячної системи.
На це є дві вагомі причини.
По-перше, подивіться на інгредієнти. Рання Сонячна система складалася з газу та дрібного пилу. Планети зростали, зіштовхуючи дрібніші об’єкти разом. Все починалося з пилових кульок. Все закінчувалося кам’янистими планетами, такими як Меркурій та Венера. Для таких гігантів, як Юпітер, була потрібна складніша фізика. Але їхній місяць? Вони, мабуть, формувалися шляхом простої агрегації. Також утворилися і комети.
Астероїди та комети – це залишки. Це уламки проміжних етапів. Вони є тіла, які сформувалися рано. Вони мало змінилися з того часу.
По-друге, подивіться тепло. У ранній Сонячній системі ставало гаряче. Радіоактивні ізотопи розпадалися. Зіткнення генерували тертя. Великі тіла плавляться. Їх нутрощі змінювалися хімічно та фізично. Вони обнуляли свій годинник.
Малі тіла не плавляться. Вони ефективно випромінювали тепло. Їхні внутрішні частини залишалися холодними. Вони зберегли початковий пил. Вони зберегли первозданний матеріал.
Деякі метеорити містять матеріал, старший за саму Сонячну систему. Це давні релікти. Вони вижили, бо були малі. Вони залишалися холодними.
Пошук метеоритів
Традиційно метеорити одержують назву за найближчим географічним об’єктом. Ця угода про імена виникла через їхню рідкість. Протягом століть не вживалося систематичних зусиль щодо їх виявлення та збору. Проблема полягала в наступному: метеорити падають більш менш рівномірно по всій поверхні Землі. Не існувало очевидного способу передбачити, де вони впадуть, або де їх можна буде знайти. Якщо ви бачили падіння метеорита чи знаходили дивну породу, ви передавали її музею чи приватному колекціонерові. На цьому історія закінчувалася.
Потім настали 1930-ті та 40-ті роки. Заповзятливі колекціонери почали перетинати прерії Північної Америки. Вони просили фермерів приносити незвичайне каміння, витягнуте із землі під час оранки. Ця стратегія ґрунтувалася на геології. Ґрунти прерій переважно складаються з тонкої лесової породи. У них мало великих каменів. Колекціонери міркували так: будь-який камінь, знайдений у цьому неживому ландшафті, має розумні шанси виявитися метеоритом. Це була гра з низькою ймовірністю успіху, але яка проводилася у величезних масштабах.
Пошук зон акумуляції
Більш ефективний підхід до пошуку метеоритів – це пошук місць, де вони накопичуються з часом, а не місць із малою кількістю каменів. Вам потрібні райони зі старою поверхнею та низькими темпами вивітрювання. Метеорити містять мінерали, такі як металеве залізо, які легко піддаються вивітрюванню. На Землі вони зазвичай зберігаються довго. Рідка вода є одним із головних факторів руйнування.
У пустельних умовах, де води мало, метеорити зберігаються набагато довше. Дійсно, у посушливих регіонах вони мають тенденцію накопичуватися на поверхні, якщо темпи вивітрювання повільніші, ніж частота падіння метеоритів на Землю. Це працює за умови, що мало вітрового піску накопичується та не закопує їх. Райони Сахари в Північній Африці та рівнина Nullarbor в Австралії виявилися гарними місцями для пошуку метеоритів. Однак найуспішніші зусилля зі збору були зроблені в Антарктиді.
Пастка з блакитного льоду
Антарктиду можна як холодну пустелю. Річна кількість опадів у вигляді снігу досить мала на більшій частині внутрішніх районів. Екстремальний холод сповільнює темпи вивітрювання. Більшість метеоритів, що падають на крижаний щит, виявляються похованими та зберігаються протягом 20 000–30 000 років. Дехто, мабуть, перебуває в Антарктиді вже мільйон років і більше. Лід антарктичного крижаного щита поступово рухається радіально від Південного полюса на північ, у бік узбережжя.
У деяких місцях лід зустрічає перешкоду. Похований пагорб змушує його підніматися нагору. Сильні каtabатичні вітри, що дмуть униз по пологих крижаних щитах з центру континенту, піскострумлять льод, що піднімається частинками снігу і льоду. Вони руйнують його зі швидкістю до 5-10 см (2-4 дюйми) на рік. Це призводить до того, що метеорити залишаються на поверхні.
Області льоду, що піднімається, звані блакитним льодом через його колір, можна розпізнати за аерофотознімками або супутниковим зображенням. У пішому порядку темні метеорити відносно легко помітити на тлі льоду та снігу. Недоліком збору Антарктиді є суворі умови. Команди колекціонерів повинні переносити їх протягом тижнів чи місяців, живучи у наметах на льоду. З 1970-х років кілька країн, особливо США та Японія, здійснюють наукові програми зі збирання зразків.
Ці програми дозволили витягти з Антарктиди десятки тисяч метеоритів. Це збільшило кількість метеоритів, доступних дослідникам. Серед них одна третина відомих марсіанських метеоритів. Одна третина відомих місячних метеоритів. А також безліч інших рідкісних чи унікальних зразків.
Оскільки велика кількість антарктичних метеоритів знаходиться у невеликих районах, для них не використовується традиційна система географічного найменування. Натомість ідентифікатор складається із скороченої назви місцевого орієнтиру плюс номер, що позначає рік виявлення та конкретний зразок.
Типи метеоритів
Метеорити традиційно поділяються на три категорії: кам’яні, залізні та залізо-кам’яні. Цей простий поділ заснований на їхньому складі – переважання породоутворюючих мінералів над сплавами нікелю та заліза. Кам’яні метеорити домінують у цьому списку, становлячи близько 94% усіх відомих зразків. Залізні метеорити складають приблизно 5%, а залізо-кам’яні – лише 1%.
Але не дозволяйте цій простоті ввести вас в оману. Усередині кожної категорії ховається хаотична різноманітність. Існують підкатегорії, засновані на хімічному складі, мінералогії та структурі. І ось у чому проблема: класифікація носить в основному косметичний характер. Вона спирається на те, що можна побачити, а не те, звідки взялася порода. Два камені однієї категорії можуть мати зовсім різні тіла-батьки. Іноді каміння з різних категорій насправді має загальне походження.
«Справді, найчастіше вони пов’язані між собою».
Розглянемо великий астероїд. Якщо він розплавляється, важкі метали осідають у ядрі, а легші породи формують мантію. Це геохімічна диференціація. Коли цей астероїд зрештою руйнується, поле уламків може містити зразки з ядра, мантії та хаотичного кордону між ними. Один зразок виглядає як залізний метеорит. Інший як кам’яний. Вони є спорідненими об’єктами, розділеними фізикою та насильством. Реальна задача вчених полягає не просто у називанні цих порід. Вона полягає в тому, щоб зрозуміти, які з них пов’язані між собою та які процеси створили таку величезну різноманітність.
Кам’яний поділ: розплавлені та нерозплавлені
Усередині великої категорії кам’яних метеоритів перший реальний поділ відбувається між ахондритами та хондритами. У чому різниця? У теплі. Ахондрити колись були розплавлені. Хондрити – ні.
Хондрити є найпоширенішим типом кам’яних метеоритів, становлячи близько 87% колекцій. Вони, мабуть, також є найважливішими. Подайте їх як осадові конгломерати Сонячної системи. Це не єдині, цілісні породи. Це механічні суміші компонентів, що утворилися у сонячній туманності чи навіть раніше.
Їхній склад є відображенням складу Сонця. Майже. Вони позбавлені дуже летких елементів, таких як водень та гелій, але все інше збігається. Сонце містить понад 99% маси Сонячної системи. Таким чином, його склад є найближчим аналогом базового рівня середнього складу Сонячної системи на момент її народження.
Це має значення, тому що дає нам точку відліку. Якщо склад метеорита відхиляється від сонячного базису, це відхилення є підказкою. Воно розповідає нам про конкретні процеси, які сформували його тіло-батько та матеріали всередині нього.
Хондри: застиглий дощ творіння
Хондрити визначаються чимось, видимим неозброєним оком (або принаймні під сильною лупою). Вони містять хондри. Це крихітні сферичні зерна силікатних мінералів, що затверділи з розплавлених крапель у ранній сонячній туманності. Вони виглядають як шматочки застиглого дощу.
Виявлення хондр означає, що порода не піддавалася достатньому нагріванню для їхнього плавлення та стирання їхньої історії. Це збереження має ключове значення. У той час як ахондрити розповідають історії про планетну диференціацію та вулканічну активність, хондрити розповідають історію вихідних інгредієнтів. Вони є первозданними будівельними блоками.
Вчені вивчають розмір, форму та мінералогію цих хондр, щоб реконструювати теплове середовище ранньої Сонячної системи. Наскільки палко було? Як довго? Чи відбувалося перемішування між різними областями туманності? Хондр містять ці дані.
Це призводить до детальнішої класифікації самих хондритів. Вони поділяються на три основні класи: звичайні, вуглецеві та енстатитові. Кожен клас має подальші підрозділи групи на основі тонких хімічних нюансів.
Звичайні хондрити є найпоширенішими. Вони щодо мало змінені водою. Вуглецеві хондрити відрізняються тим, що містять вуглець і часто мінерали, що містять воду. Вони є найбільш «вологими» і хімічно складними, іноді несучи органічні сполуки, які старші за життя на Землі. Енстатитові хондрити рідкісні і утворилися в дуже відновлювальному середовищі, з характерним дефіцитом кисню порівняно з іншими.
«Відхилення у складі метеорита від цього еталонного складу дають підказки про процеси, що вплинули формування його тіла-батька і компонентів у нем».
Різноманітність усередині цих груп приголомшлива. Один метеоритний дощ може дати зразки, які виглядають ідентично, але мають різні ізотопні сигнатури. Ізотопи – це відбиток походження. Вони можуть розповісти нам, чи прийшла порода із внутрішньої частини Сонячної системи чи із зовнішніх поясів. Вони можуть виявити, чи вона нагрівалася під впливом короткоживучого радіоактивного ізотопу, такого як алюміній-26.
Саме тому вивчення хондритових метеоритів – це не просто каталогізація каміння. Це – реконструкція тимчасової шкали, яку ніхто не бачив. Це розуміння того, чому Земля стала кам’янистою планетою, а Юпітер залишився газовим гігантом. Відповіді приховані у хондрах, заморожені у часі, готові бути прочитаними.
Загадка хондр
Метеорити отримують свою назву «хондрити» завдяки наявності в них хондр. Це крихітні сферичні утвори. Зазвичай їхній розмір становить близько міліметра. Вони виглядають як застиглі краплі.
Вчені вважають, що колись вони були розплавлені. Вони плавали у сонячній туманності. Потім вони швидко охолонули. Експерименти це підтверджують. При швидкому нагріванні пікові температури досягали 1800 °C. Потім охолодження відбувалося стрімко. Зі швидкістю до 1 000 градусів на годину.
Але звідки взялося це тепло? Це питання на мільйон доларів. Хондри розрізняються за розміром та складом. Це вказує на те, що їхнє формування було локалізованим. Воно відбувалося багаторазово. Ймовірно, це був найенергійніший процес у поясі астероїдів. Однак, незважаючи на більш ніж сторіччя досліджень, ми досі не знаємо точного механізму їхньої освіти.
Рефрактерні включення: Стійкі до нагрівання
Хондрити також містять рефрактерні включення. Їх небагато, безумовно. Але вони є важливими. Вони багаті на рефрактерні елементи. Це елементи, які легко випаровуються. Наприклад, кальцій та алюміній. Звідси і абревіатура CAI (кальційно-алюмінієві включення).
Вони варіюються від неправильних уламків до ідеальних сфер. Від десятків мікрометрів до сантиметрів. Вони також утворилися за високих температур. Але інакше, ніж хондри. Нагрів був більш тривалим. Дехто розплавився. Інші конденсувалися безпосередньо з гарячого газу тверді кристали.
Єдиної думки про те, як вони утворилися також немає. Як і у випадку з хондрами, історія походження CAI залишається неповною.
Матриця: Зафіксований літопис
Між хондрами та включеннями знаходиться матриця. Це дрібнозернистий цемент. Він скріплює більші фрагменти. Матриця багатша на летючі елементи. Це має на увазі, що частина її утворилася за більш низьких температур.
Вона також багата на органічну речовину. До 2% за масою. Ізотопи водню та азоту тут дивні. Незвичайні. Це свідчить про міжзоряне походження. Органічна речовина, ймовірно, походить з молекулярної хмари, що породила Сонячну систему.
Але матриця зберігає давніші таємниці. Крихітні зерна. Від нанометрів до 10 мікрометрів. Вони старші за Сонце. Ці зерна утворилися в зірках, що вмирають, за мільйони років до нашого існування. Як ми це знаємо? За ізотопами.
Співвідношення вуглецю-12 до вуглецю-13 у Сонячній системі становить близько 89 до 1. Деякі зерна з хондр показують співвідношення 7 000 до 1. Або 2 до 1. Це неможливо зробити в умовах нашої зірки. Ці зерна є циркумзірковими. Мінерали, такі як алмаз, графіт та карбід кремнію. Це зоряний пил.
Шрами історії
Деякі хондрити є первозданними. Більшість було змінено. Чотири процеси змінили їх. Акватермальне alteration (зміна водою). Термальна метаморфізація. Ударна дія. Брекціація.
Це почалося невдовзі після формування. Батьківські тіла нагрівалися. Дехто залишився помірно нагрітим. Існувала рідка вода. Мінерали реагували із водою. Акватермальна зміна створила складні нові мінеральні суміші.
Інші нагрілися сильніше. Вода википіла. Настала термальна метаморфізація. Мінералогія змінилася. Фізична структура змістилася. Повсюдного плавлення був. Достатньо лише для перекристалізації матриці. Органічну речовину та циркумзіркові зерна було знищено. У найбільш сильно нагрітих хондритах самі хондри перекристалізувалися. При 1000 ° C їх важко розрізнити.
Потім іде ударний вплив. Зіткнення астероїдів. Кожен великий тип метеоритів показує це. Від незначного розтріскування до локального плавлення. Це продовжується і сьогодні.
Брекціація – це останній поворот. Тіла розліталися на частини. Потім знову збиралися. Сонячна система – це не просто місце. Це будівельний майданчик. І ці породи уламки.
Подивіться на хондрит і ви побачите зіткнення історій. Ці породи містять свідчення двох окремих епох. Одна епоха сформувала тіло-батько. Інша змінила те, що відбувалося в ньому пізніше. Саме ця подвійна історія змушує вчених використовувати два способи маркування цих метеоритів, що перетинаються.
Перший спосіб розглядає загальну картину. Він спирається основні елементи. Залізо. Магній. Кремній. Кальцій. Алюміній. Вчені також перевіряють ступеня окиснення. Вони вивчають ізотопний склад кисню. Вони досліджують петрологію. Це включає в себе розмаїтість хондр. Охоплює наявність матриці. Зазначає розмір хондр. Аналізує мінералогію.
Коли ви наносите ці змінні на графік, хондрити не розкидаються випадковим чином. Вони групуються. Вимальовуються чіткі групи. Консенсус у тому, що це визначальні риси сформувалися до чи під час створення тел-батьків. Кожна група, ймовірно, походить з різних астероїдів або певного набору астероїдів. Хімія каже нам, звідки вони розпочали свій шлях.
Але це лише половина історії.
Усередині цих груп метеорити не ідентичні. Вони різняться за рівнем нагріву або просочення водою. Це призводить до другої системи класифікації. Вона називається петрологічним типом. Ці типи вимірюють ступінь термальної метаморфізації. Вони також відстежують гідротермальну зміну.
“Ці відмінності називаються петрологічними типами; вони розбиті в таблиці повного розміру, яку можна побачити тут”
Ця система додає шар деталізації до груп, що ґрунтуються на елементах. Вона пояснює, чому породи з того самого батька можуть виглядати і поводитися по-різному. Одна може бути недоторканою. Інша може бути обпаленою або зміненою. Петрологічний тип фіксує цю подорож після формування.
Розшифровка шкали петрологічного типу
Якщо розколоти хондрітовий метеорит, перше, на що звертають увагу вчені, — це не золото чи алмази. Це код. Одна єдина цифра, яка розповідає історію життя цієї породи. Так називається система петрологічного типу – метод класифікації, який точно показує, наскільки сильно метеорит був зруйнований, нагрітий або просочений водою з зародження Сонячної системи.
Шкала варіюється від 1 до 6, хоча деякі дослідники розширюють її до 7. Не випадковий порядок. Це хронологія руйнування та збереження.
Фактор води: типи 1 і 2
Почнемо із початку. Тип 1. Тут перемагає вода.
Ці метеорити були просякнуті вологою. Протягом мільйонів років батьківське тіло було досить теплим, щоб крига могла розплавитися. Рідка вода проникала в тріщини, вступаючи в реакцію з мінералами, утворюючи глини та сульфіди. Первинні хондри – крихітні краплі розплавленої породи, що визначають хондрити, – стираються або, принаймні, сильно змінюються. Якщо ви шукаєте породу, яка розповідає про роль води у ранньому формуванні планет, вам сюди.
Тип 2 – це проміжний стан. Вода була присутня, але її було недостатньо, щоб повністю переписати хімію породи. Первинні текстури все ще видно. Зміни є, але вони є помірними. Це різниця між губкою, залишеною у відрі на годину, та губкою, що пролежала там тиждень.
Фактор тепла: типи 3–6
А тепер про тепло.
Тип 3 – це базовий рівень. Кордон між незміненими та зміненими породами. Метеорит типу 3 мало піддавався впливу води. Він також практично не піддавався нагріванню. Він первозданний. Це те, що найближче до вихідного матеріалу сонячної туманності. Дивлячись на нього, ви бачите пил та розплав віком 4,6 мільярда років.
Але в міру просування нагору за шкалою речі «пропікаються».
Типи 4 і 5 відбивають зростаючі ступеня термальної метаморфізації. Батьківське тіло нагрівалося, мабуть, з допомогою радіоактивного розпаду чи ударів. Тепло «запекло» породу. Хондри стає складніше розрізнити. Мінерали матриці перекристалізовуються. Текстура змінюється. Порода стає одноріднішою.
Тип 6 – це кінець лінії для більшості класифікацій. Це найвище тепло. Порода майже розплавилася, але не зовсім. Кордони між різними мінеральними зернами розмиваються. Хімічні сигнатури вихідних компонентів починають поєднуватися. Це порода, яка пройшла через «м’ясорубку» і вийшла немов інший елемент.
«Метеорит, який зазнав температури, що ледь не досягли плавлення, буде відноситися до типу 6. Той, що зазнав широкої гідротермальної мінливості? Тип 1.
Прикордонні випадки: тип 7 і кордон
Деякі дослідники стверджують, що шкала не закінчується 6. Тип 7? Це порід, нагрітих до часткового плавлення. Хондри не просто розмиваються; вони плавляться, зливаючись із навколишньою матрицею. Порода знаходиться на межі перетворення на магматичну, повністю втрачаючи свою хондритову ідентичність.
То де ж виявляється ваша вибірка?
Якщо вона волога та змінена, це тип 1 або 2. Якщо суха та первоздана – тип 3. Якщо вона була «запечена»,
Вчені, які вивчають метеорити, використовують два основні способи класифікації космічного каміння. Вони групують їх за хімічним сімейством або термічної історії. Найчастіше ці методи добре узгоджуються. Іноді це не так.
Візьмемо метеорит Алленде. Він упав у 1969 році в Мексиці. Падіння засвідчили свідки. Це допомагає: можна відстежити його траєкторію та швидко знайти уламки. Вчені вивчали його протягом багатьох років.
Вони віднесли його до категорії CV3. Що це означає?
Літери «CV» належать до хімічної групи. Він належить до вуглецевих хондритів CV. Це рідкісний тип. Він містить органічні сполуки та мінерали, що містять воду. Ці метеорити подібні до капсул часу з ранньої Сонячної системи.
Цифра “3” позначає петрологічний тип. Цей номер варіюється від 1 до 6. Він показує скільки тепла витримала порода.
- Типи 1 і 2 не зазнали змін. Вони холодні.
- Тип 3 є найменш обробленим. Він все ще примітивний.
- Типи від 4 до 6 були нагріті та зазнали змін.
Алленде відноситься до типу 3. Він не був «просмажений». Він зберіг свою первісну структуру. Мінерали всередині нього недоторкані. Це робить його цінним вивчення формування Сонячної системи.
Система класифікації допомагає дослідникам порівнювати каміння із різних падінь. Вона розповідає історію породи. Вона пояснює її шлях.
«Цифра 3 вказує на примітивний стан, зберігаючи підказки, що губляться в нагрітих породах.»
Не кожен метеорит вписується у систему без проблем. Деякі камені виявляють ознаки обох хімічних груп. Дехто має змішану термічну історію. Вченим доводиться придивлятися уважніше. Вони вивчають мінерали. Вони вимірюють ізотопи.
Метеорит Алленд залишається ключовим прикладом. Він показує, як два методи класифікації працюють разом. Він є базисом. Він допомагає нам зрозуміти інші вуглецеві хондрити.
Чому це важливо для нас? Ці камені зберігають секрети. Секрети про воду. Секрети про будівельні блоки життя. Класифікуючи їх, ми впорядковуємо пошук відповідей. Ми знаємо, що шукати. Ми знаємо, чого уникати.
Система не ідеальна. Це інструмент. Корисний інструмент. Але інструменти можна використовувати неправильно. Або зрозумілі неправильно.
Чи розповідає класифікація всю історію? Ні. Вона розповідає лише її частину. Решта вимагає контексту. Потрібно більше даних. Потрібен час.
Ми продовжуємо знаходити нове каміння. Ми продовжуємо уточнювати категорії. Сонячна система не статична. Наше розуміння її також є незмінним.
Вуглецеві хондрити групи CI
Деякі метеорити класифікуються за ступенем їхнього ударного впливу чи вивітрювання Землі. Такі схеми існують, але використовуються рідко. Більш поширений поділ заснований на простому принципі: чи бачили падіння метеорита, чи його просто знайдено на поверхні? Ця відмінність формує категорії «падіння» та «знахідки».
Група CI вуглецевих хондритів виділяється цьому фоні. Вони мають особливий інтерес саме тому, що порушують загальноприйняті правила. Технічно називати їх хондритами не зовсім коректно. Вони повністю відсутні хондри. Якщо вони коли-небудь були присутні, інтенсивна водна зміна стерла всі їхні сліди. Вода піддала їх такому ретельному впливу, що початкова структура зникла. Проте їхній елементний склад розповідає іншу історію. Порівняйте їх склад із складом Сонця – збіг разючий.
Серед усіх типів метеоритів хондрити групи CI найточніше відбивають склад Сонця. Саме ця схожість є причиною того, що системи класифікації продовжують відносити їх до хондритів, незважаючи на відсутність структурних ознак. Це прагматичне рішення. Ці породи є середнім хімічним складом ранньої Сонячної системи. Деякі дослідники пішли у цьому напрямі далі. Вони припускають, що хондрити групи CI можуть відбуватися не з астероїдів, а з комет. Вважається, що комети містять найпервісніший, незмінений матеріал у Сонячній системі. Ця ідея має недоліки. Наука поки що не має повного розуміння природи та походження комет. Ця прогалина в знаннях означає, що повністю відкидати таку можливість було б нерозумно. Це залишається переконливою гіпотезою.
Ахондрити
Ахондрити розповідають зовсім іншу історію. На відміну від хондритів, вони містять хондр. Це магматичні породи. Їхні тіла-батьки зазнали достатнього нагрівання, щоб розплавитися і диференціюватися. Матеріал розділився на шари ядра, мантії та кори. Коли ці тіла руйнувалися, їх фрагменти вилітали до космосу. Деякі з них зрештою впали на Землю.
Ці породи часто нагадують земні магматичні породи. Базальти і габро із Землі мають схожість із певними ахондритами. Ключова відмінність полягає в їхньому походженні. Вони походять з диференційованих тіл-батьків. Це може бути великий астероїд, наприклад Веста, або навіть планета. Марс надає конкретний приклад. Деякі ахондрити підтверджені як марсіанські метеорити. Місячні метеорити також потрапляють до цієї категорії. Вони є коровий матеріал з Місяця або Марса.
Класифікація ахондритів ґрунтується на їх петрології та геохімії. Вчені аналізують мінеральний склад та ізотопні співвідношення. Ці дані пов’язують породи з конкретними тілами-батьками. Наприклад, унікальні ізотопні сигнатури кисню допомагають визначити марсіанське походження. Цей процес копіткий. Він вимагає застосування передових аналітичних методів для розрізнення земних та позаземних порід. Незважаючи на труднощі, ахондрити дають ключові уявлення про формування планет. Вони розкривають те, як тепло та тиск формували ранню Сонячну систему.
Ахондрити. Назва громіздка, але визначення проста: це метеорити «без хондритів». Вони не є випадковими космічними каменями. Вони розповідають історію хаосу, тепла та планетарної еволюції. Хоча вони становлять відносно невелику частку загалом метеоритів, вони надзвичайно різноманітні.
Їхні тіла-батьки не залишалися холодними та примітивними. Вони розплавились.
Подумайте про це секунду. Повсюдне плавлення. Це не просто теплий день у космосі. Це достатньо енергії, щоб запустити геологічні процеси, які ми зазвичай асоціюємо із Землею. Це каміння демонструє магматичні особливості – придивіться, і ви побачите текстури, ідентичні земним вулканічним породам. Ви побачите сегрегацію. Розплавлений метал відокремлюється від розплавленої силікатної породи, потенційно формуючи ядро. Силікатні кристали сортуються із магми. Більшість ахондритів, які ми знаходимо на Землі, походять з астероїдів. Але крихітна частка? Вони з Марса. І ще маленька група? З Місяця.
Аубрити та хімічні аномалії
Давайте розглянемо три найчисленніші групи астероїдних метеоритів. Перша: аубрити. Також відомі як енстатитові ахондрити.
Вони походять від тіл-батьків, які сформувалися в умовах сильної хімічної відновленості. Це складний спосіб сказати, що хімія була дивною. На відміну від Землі, де кисень чекає на зв’язування з усім, ці тіла накопичували електрони. Результат? Елементи існують у менш поширених сполуках. Візьмемо кальцій. На Землі ви знайдете його в силікатах та карбонатах. У аубритах? Він з’являється у вигляді олдамітиту (CaS), сульфіду. Це нагадування у тому, що Сонячна система була монолітом. Різні регіони мали різні хімічні особливості.
Насильницька історія Вести
Потім є асоціація гауердіт-еукріт-діогеніт (HED). Ці три не просто пов’язані. Вони брати та сестри з однієї родини. Астероїд Веста. Другий за величиною член поясу астероїдів.
Зв’язок їх із мезосидеритами (групою кам’яно-залізних метеоритів) логічний. Коли вивчаєте метеорити HED, ви бачите не просто камінь. Ви бачите тимчасову шкалу. У Вести складна історія. Вона розплавилася. Вона поділила метал на ядро. Вона кристалізувалась. Вона зазнала метаморфізму. Вона зазнала ударів, які перетворили тверду породу на брекчію – процес, при якому удар дробить породу і цементує її назад.
Це насильницька історія. І ми маємо докази.
Глибина проти поверхні: поділ еукритів
Еукрити поділяються, і різниця полягає в тому, де і як швидко вони остигали.
Кумулятивні еукрити – це глибоководні нирці. Вони схожі на земні габро. Вони сформувалися на глибині у Сході і кристалізувалися досить повільно. Ви маєте час. Мінерали мають час для зростання. Для осідання.
Базальтові еукрити? Це мешканці поверхні. Подібні до земних базальтів. Вони сформувалися на поверхні Вести чи поблизу неї. Охолонули швидко. Нема часу для глибокої кристалізації. Лише швидка кристалізація.
А потім є діогеніти. Переважно з мінералу піроксену. Також сформовані на глибині. Але відмінні від кумулятивних еукритів. Гауердити пов’язують усе докупи. Вони ударні брекчії. Цементовані фрагменти матеріалів діогеніту та еукриту. Вони є полем уламків насильницького минулого Вести.
Вуглецеві прожилки урейлітів
Третій основний клас ахондритів, що походять від астероїдів, призводить до урейлітів. Вони містять вуглець.
Уявіть собі силікатну породу. Переважно олівін та піроксен. Але через неї проходять темні прожилки. Ці прожилки можуть становити до 10 відсотків метеориту. Що всередині них? Вуглець. графіт. Небагато алмазів. Залізо-нікелевий метал. Сульфіди.
Силікати явно кристалізувалися з магми. Ця частина зрозуміла. Але як вони сформувалися? Є суперечки.
Вуглецеві прожилки, мабуть, сформувалися за рахунок шокової перерозподільної деформації. Графіт спочатку кристалізувався разом із силікатами. Потім ударні хвилі перемістили його. Витягли у прожилки. Це не просто статична порода. Це динамічна система, яка була зруйнована та зібрана заново.
За межами «Великої трійки»
У вас є ваші аубрити. Ваші HED. Ваші урейліти.
Але це не вся історія. Є й другорядні класи. Колекція унікальних зразків ахондритів. Кожен із них відображає мінливість процесів плавлення в астероїдах. Жодні тіла-батьки не поводилися абсолютно однаково. Жодні історії плавлення були ідентичні.
Ми спостерігаємо геологічні відбитки світів, яких більше немає або які сильно змінені. Наука про ахондрити – це не просто класифікація. Це
Марсіанські метеорити: зразки гірських порід, що доводять можливість існування життя на Марсі
Три дюжини метеоритів були ідентифіковані як такі, що мають марсіанське походження. Усі вони є вулканічними породами. Всі, крім одного, належать до трьох конкретних класів — шергітів, наклитів і чагінітів. Ці назви були дані задовго до того, як хтось запідозрив, що вони прийшли з іншої планети. У сукупності вчені називають їх СНК (SNC).
Одним із доказів планетного походження РНК є їх молодий вік – від 150 мільйонів до 1,3 мільярда років. Щоб зберегти достатньо тепла для продовження вулканічної активності аж до 1,3 мільярда років тому, не кажучи вже про пізніші періоди, потрібно було батьківське тіло розміром з планету. Оскільки існує значний геохімічний доказ того, що ці породи не виникли на Землі, єдиними ймовірними кандидатами залишаються Венера та Марс, обидва з яких, мабуть, відчували недавню вулканічну активність.
Найбільш переконливий доказ марсіанського походження надходить від антарктичного метеориту, РНК під назвою EETA79001. Цей метеорит містить захоплені гази (благородні гази, азот та вуглекислий газ), відносна велика кількість та ізотопний склад яких майже ідентичні таким у марсіанській атмосфері, виміряним двома посадковими апаратами «Вікінг». Вчені вважають, що марсіанські метеорити є фрагментами близької до поверхні планети кори, викинуті в космос великими ударними подіями і, зрештою, опинилися Землі. У випадку EETA79001 атмосферні гази, мабуть, виявилися захопленими в шибках, що утворилися в ході сильної ударної події, яка витягла породу з Марса. Оскільки марсіанські метеорити є єдиними зразками Марса, доступними вченим Землі, вони забезпечують унікальне вікно в еволюцію цієї загадкової планети.
Пошук стародавнього життя в ALH84001
Деякі марсіанські метеорити зазнали гідротермальної зміни в тій чи іншій мірі, що узгоджується з іншими свідченнями наявності рідкої води на Марсі, принаймні, періодично в минулому. Найбільш унікальним марсіанським метеоритом є ще один антарктичний зразок ALH84001. Ця порода, ортопіроксеніт, має вік кристалізації близько 4,5 мільярда років, що приблизно збігається з віком астероїдних метеоритів (див. нижче «Вік метеоритів та їх компонентів»), але кілька її властивостей чітко пов’язують її з іншими марсіанськими метеоритами.
Близько 3,9 мільярда років тому через нього проходили водні розчини, викликаючи осадження асоціацій мінералів карбонату, магнетиту та сульфіду. Деякі дослідники інтерпретували ці досить незвичайні асоціації як докази життя на Марсі. Вони також повідомили про особливості у метеориті, які вони інтерпретували як скам’янілі бактерії. Ці твердження викликали значні суперечки, але також породили важливі дискусії про те, як могло виникнути життя і як його можна розпізнати, навіть якщо воно відрізняється від життя, відомого на Землі.
Місячний зв’язок
Ряд місячних метеоритів знайшли в Антарктиді і в спекотних пустелях Землі. Ймовірно, їх не вдалося б розпізнати як такі, що мають місячне походження, якби не зразки місячного ґрунту, доставлені екіпажами місій «Аполлон» та автоматичними місіями «Місяць». Метеорити, які, ймовірно, є фрагментами, вибитими з Місяця великими ударними подіями, нагадують різні типи порід, представлені в місячних зразках (наприклад, морські базальти, реголітові брекчії високогір’їв і ударно-розплавлені брекчії високогір’їв), але майже напевно вони походять з районів, не ох. Тому, як і марсіанські метеорити, вони є важливим джерелом нової інформації про освіту та еволюцію їхнього батьківського тіла.
Залізні метеорити
Залізні метеорити – це не просто випадкові шматки космічного сміття. Це важкі металеві залишки бурхливої космічної історії. Конкретніше, це фрагменти щільнішого металу, які відокремилися від менш щільних силікатів, коли їхні тіла-батьки були як мінімум частково розплавлені.
Довгий час стандартне пояснення було простим. Ці породи походять із ядер своїх астероїдів-батьків. Уявіть собі планетезималь, яка нагрілася настільки, що перетворилася на суп з каменю та металу. Тяжке залізо опустилося в центр. Легші силікати спливли до кори. Коли ці тіла згодом були розбиті зіткненнями, фрагменти ядра посипалися Землю як залізних метеоритів.
Але картина може бути складнішою.
Деякі дослідники припускають, що метал не завжди утворював єдиний потужний резервуар у центрі. Натомість він міг накопичуватися локально. Подайте структуру, що нагадує родзинковий хліб. Силікатна порода – це тісто. Шматочки металу – це родзинки.
«Метал, замість утворювати єдиний резервуар, міг накопичуватися локально, створюючи структуру, що нагадує родзинковий хліб, де шматки металу виступають у ролі «родзинок»».
Як ми отримали ізюмний хліб замість шаруватого ядра? Різниця полягає у тому, як застосовувалося тепло.
Якщо астероїд піддався глобальному плавленню, різниця щільностей викликала повний поділ. Тяжке залізо опускається. Легкий камінь піднімається. Результатом стають чіткі верстви. Ядро. Мантія. Кора.
Якщо астероїд зазнав локального плавлення від ударної дії, історія змінюється. Могутнє зіткнення могло нагріти лише невеликий регіон. Достатньо, щоб розплавити частину металу. Недостатньо, щоб розплавити все тіло. Метал утворює кишені. Він не опускається до центру, тому що навколишня порода залишається твердою. Він лишається на місці.
Ця теорія пояснює, чому деякі залізні метеорити мають хімічні сигнатури, які зовсім не відповідають глибокому походженню з ядра. Вони виглядають так, ніби поспішно утворилися. У кишенях. У глушині.
Це також ставить питання, які саме астероїди виробили ці зразки. Не в кожного тіла-батька були відповідні умови. Дехто залишався холодним. Дехто повністю розплавився. Ті, що виготовили астероїди «родзинного хліба», потрапили у специфічне вікно теплової енергії. Достатньо для мобілізації металу. Недостатньо для усунення хаосу.
Так що коли ви тримаєте в руках залізний метеорит, ви тримаєте шматок ядра. Або, можливо, просто родзинку із середини розламаного шматка хліба. Ця відмінність важлива для розуміння того, як тіла ранньої Сонячної системи обробляли свої матеріали. Чи досягли вони рівноваги? Чи їхній процес було перервано?
Ми досі розуміємось на деталях. Метал розповідає історію. Вона просто не завжди лінійна.
Залізні метеорити — це, насправді, застиглі фрагменти ядер планет. Вони складаються в основному з двох мінералів на основі нікелю та заліза: бідного нікелем камасіту та багатого нікелем тейніту. Співвідношення цих двох мінералів визначає внутрішню структуру метеориту.
Візьмемо гексаедрити. Вони майже повністю складаються з камасіту. Завдяки своїй однорідності вони мають внутрішньої структури, крім слідів ударного впливу. На іншому кінці спектру знаходяться атактити. Це рідкісні метеорити, багаті на тейніт, що містять до 60% нікелю за вагою. Як і гексаедрити, вони майже мономінеральні і, отже, позбавлені структурних особливостей.
Між ними знаходяться октаедрити. У них кристали камасіту утворюють взаємно переплітаються пластини, розташовані в октаедричній конфігурації. Тейніт заповнює проміжки. Якщо розрізати, відполірувати та протруїти октаедрит розведеною кислотою, можна побачити візерунок Відманштеттена. Ця геометрична решітка доводить, що метеорит сформувався за низького тиску. Вона відповідає умовам, що очікуються всередині тіл розміром з астероїд.
Хімічна класифікація замість структурної
Раніше залізні метеорити класифікували за вмістом нікелю та наявністю візерунків Відманштеттена. Цей метод значною мірою застарів. Тепер вчені використовують хімічну класифікацію, засновану на рівнях галію, германію та нікелю.
Найпоширеніші групи мають нудні назви: IAB, IIAB, IIIAB, IVA та IVB. Існує також безліч менших класів та унікальних зразків. Робоча гіпотеза у тому, більшість залізних метеоритів походять із ядер астероїдів. Варіації всередині одного класу відображають умови, що змінюються під час затвердіння ядра.
Зміст галію та германію в розплавленому металі не сильно змінюється під час кристалізації. Вони чутливі до умов, у яких сформувався астероїд-батько. Подібний зміст галію та германію вказує на загальне походження. Можливо, вони походять із однієї породи. Або, можливо, їхні тіла-батьки сформувалися одночасно і в одному місці.
Нікель розповідає іншу історію. Він концентрується у тих частинах металу, які довше залишаються у розплавленому стані. Це робить рівень нікелю корисним інструментом визначення послідовності кристалізації всередині класу.
Подібний зміст галію та германію вказує на загальне походження. Можливо, вони походять із однієї породи. Або, можливо, їхні тіла-батьки сформувалися одночасно і в одному місці.
Аномальне походження
Не все вкладається у модель формування ядра. Залізні метеорити груп IAB, IIICD та IIE демонструють геохімічні особливості, відмінні від інших класів. Їхнє походження неясно. Деякі дослідники вважають, що вони були створені внаслідок зіткнень.
Кам’яно-залізні метеорити
Палласити: вікна в ядра астероїдів
Кам’яні залізокам’яні метеорити – це аутсайдери у світі метеоритів. Приблизно наполовину складаються із силікатів, наполовину — із нікель-залізного металу. Вони поділяються на два типи: паласити та мезосидерити.
Палласити – це те, де стає красиво. Ви бачите мережу блискучого металу із вкрапленими всередині кристалами зеленого олівіну. Можна порівняти це із космічною оправою для коштовностей. Зерна олівін зазвичай мають ширину близько півсантиметра. Але якщо придивитися до металу, ви побачите візерунок Відманштеттена. Ці геометричні лінії утворюються лише за неймовірно повільному охолодженні металу протягом мільйонів років.
Як вони утворились? Вони не просто випадково стикалися один з одним. Вони формувалися на межі між розплавленим металом та розплавленою породою. Уявіть астероїд, який пройшов диференціацію. Тяжкий нікель-залізний сплав опустився в ядро, а легші силікати спливли, утворивши мантію. Палласити представляють саме цей кордон. Вони є перехідним шаром між ядром та мантією.
Деякі вчені вважають, що вони походять із зовнішніх частин ядер астероїдів. Інші припускають, що це можуть бути великі самородки металу, що скупчилися в мантії та оточені силікатами. У будь-якому випадку вони рідкісні і красиві.
Мезосидерити та зв’язок з HED-метеоритами
Потім йдуть мезосидерити. Вони більш «брудні». Це ударні брекчії. Це означає, що вони складаються з фрагментів породи, зварених разом у результаті потужного зіткнення.
Вони тісно пов’язані з HED-метеоритами – трійкою ахондритів, названих на честь трьох астероїдів: гауеритами, еукритами та діогенітами. Мезосидерити мають загальне походження із гауеритами. Вони містять фрагменти еукритів та діогенітів. Але вони мають щось додаткове. Багато розсіяного нікель-залізного металу.
Звідки взявся цей метал? Ми не знаємо, напевно. Провідна теорія проста: це є результатом жорстокого насильства. Тіло з диференційованим ядром зіткнулося з батьківським тілом мезосидеритів. Ядро розкололося. Метал змішався із фрагментами силікатів. То справді був катастрофічний процес. Результатом стала порода, яка розповідає історію руйнування та змішання.
Зв’язування порід з їх астероїдами-батьками
Ви можете спитати, як ми дізнаємося, з якого астероїда походять ці породи. Не магія. Це хімія та фізика, які працюють разом.
Зв’язок між метеоритами та астероїдами ґрунтується на збігу спектральних сигнатур. Коли ми спостерігаємо за астероїдами через телескопи, бачимо світло, відбите від їхніх поверхонь. Це світло має певні патерни, що залежать від мінералів. Коли ми аналізуємо метеорити в лабораторії, ми бачимо ті самі спектральні відбитки.
Цей зв’язок не завжди прямий. Іноді астероїд змінився з того часу, як востаннє втратив свій фрагмент. Космічне вивітрювання змінює поверхню. Але збіг досить сильний більшості випадків. Ми можемо простежити походження гауериту до Вести. Ми можемо пов’язати певні ахондрити з конкретними родинами астероїдів.
Це зіставлення має значення. Воно перетворює випадковий камінь у вашій руці на зразок з іншого світу. Ми можемо картирувати геологію астероїда, ніколи не приземляючись на нього. Нам просто потрібно знайти ті фрагменти, які він залишив на шляху.
Пошук продовжується. Нові телескопи виявляють більше астероїдів. Нові метеорити падають на Землю. Кожен із них зміцнює зв’язок. Ми будуємо карту будівельних блоків Сонячної системи. І ми лише розпочинаємо.
Поверхнева невідповідність: чому астероїди виглядають інакше, ніж їхні метеорити
Логіка здається простою. Якщо метеорити походять з конкретних ділянок поясу астероїдів, то їх тіла-джерела повинні мати такі самі хімічні та мінералогічні «відбитки пальців», як у порід, знайдених на Землі. Теоретично ми могли б просто подивитися на світло, що відображається астероїдами — їх альбедо і спектр відбиття — щоб безпосередньо визначити їх джерела.
Реальність виявилася складнішою.
Декілька природних процесів вступили в суперечність, зробивши зіставлення астероїдів з групами метеоритів набагато складнішим, ніж будь-хто очікував.
Класи S і C: дві основні групи
Більшість астероїдів потрапляють у дві широкі категорії, навіть якщо жоден спектр не ідентичний іншому.
Астероїди класу S, такі як Гаспра та Іда (що спостерігалися космічним апаратом «Галілео») або Ерос (відвіданий зондом NEAR Shoemaker), мають помірне альбедо. Їхні поверхні містять суміші олівіну, піроксену та металевого заліза. Це ті ж мінерали, які зустрічаються в звичайних хондритах. Проблема в тому, що ці мінерали є і в інших типах метеоритів, що робить їх поганими унікальними ідентифікаторами.
Астероїди класу C, такі як Матільда (також відвідана зондом NEAR Shoemaker) мають низьке альбедо. Їхні спектри позбавлені особливостей, що вказує на наявність матеріалів, що поглинають світло. Принаймні у половини з них спостерігаються ознаки гідратованих силікатів, що містять залізо. Це робить їх правдоподібними джерелами деяких вуглецевих хондритів, але малоймовірними кандидатами для звичайних хондритів. Низьке альбедо і наявність мінералів, що містять води, просто не відповідають сухому, металевому профілю звичайних хондритів.
Загадка класу S
Коли вчені придивилися до астероїдів класу S, очевидна відповідність до звичайних хондритів впала.
Їхня мінералогія надто сильно варіювалася, зокрема, співвідношення олівіну та піроксену. Це призвело до поділу їх на сім підкласів. Підклас S(IV) здавався найкращим збігом.
Ця гіпотеза отримала підтримку від місії NEAR Shoemaker. Рентгенівський спектрометр виміряв елементний склад Ероса, астероїда S(IV). За винятком помітно низького вмісту сірки, склад поверхні Ерос ідеально збігався зі складом звичайного хондриту.
Але тут є каверза. Спектри поверхонь астероїдів класу S не збігалися зі спектрами звичайних хондритів. Спостерігалася явна розбіжність між тим, що бачили прилади у світлі, і тим, як мали виглядати зразки породи.
Космічне вивітрювання розгадує таємницю
Розрив між теорією та спостереженнями було закрито лише у 2010 році.
Японський космічний апарат Hayabusa повернувся на Землю з астероїда класу S(IV) Ітокава. Він доставив понад 1500 частинок пилу. Результати були однозначними. Поверхні частинок виглядали типовими астероїдами класу S. Але всередині? Склад ідентичний звичайним хондритам.
Поверхні було змінено.
Ця зміна відома як “космічне вивітрювання”. Це збиральний термін для процесів, які згодом змінюють хімічні та фізичні властивості безповітряних тіл.
Що рухає цим вивітрюванням?
- удари метеоритів та мікрометеоритів.
- Зіткнення з енергійними частинками сонячного вітру.
- Вплив сонячної радіації та галактичних космічних променів.
Ці сили діють на Меркурій, Місяць, супутники планет, комети та астероїди. Ви можете побачити ефекти, порівнюючи молодші поверхні навколо кратерів зі старими ландшафтами. NEAR Shoemaker спостерігав це на Erose. Галілео спостерігав це на Гаспрі та Іді.
Інші асоціації
Космічне вивітрювання не тільки заплутує зв’язки класу S. Ймовірно, воно впливає на спектри астероїдних джерел для всіх груп метеоритів. Незважаючи на це, вчені збудували переконливі асоціації для інших груп.
Групи вуглецевих хондритів CV і CO пропонується вважати такими, що походять з астероїдів класу K.
Веста, великий астероїд головного поясу, є джерелом зв’язку овардіт-еукріт-діогеніт. Спектральні вимірювання також вказують на Весту як джерело мезосидеритів.
Для залізних метеоритів найбільш ймовірними тілами-джерелами є астероїди класу M. Однак енстатитові хондрити та мезосидерити також були пов’язані з цим класом.
Нарешті, палласити, можливо, походять з астероїдів класу A.
Зв’язок між небом та ґрунтом існує. Вона просто прихована під шарами космічного «шуму» та ударного debris.
Годинник Сонячної системи почав відлік приблизно 4,5 мільярда років тому. Коли планети та астероїди вперше почали формуватися, вони були «засіяні» радіоактивними ізотопами. Ці нестабільні атоми розпадаються з певними, передбачуваними швидкостями. Ми вимірюємо цю швидкість через період напіврозпаду – час, необхідний для розпаду половини зразка.
Деякі з цих радіонуклідів живуть довше, ніж наше Сонце. Ми називаємо їх довгоживучими радіонуклідами. Вони досі присутні у природі. Їх можна знайти у метеоритах і глибоко у земній корі. Вчені використовують їх для датування гірських порід, оскільки їхня довговічність забезпечує стабільну основу для вимірювання глибокого часу.
Але як отримати конкретне число?
Пояснення методу ізохрон
Більшість геохронологів покладаються на метод ізохрону. Це графічний спосіб, який усуває більшість припущень. Розглянемо як робочу модель систему рубідій-стронцій.
Все просто.
Рубідій-87 є материнським ізотопом. Стронцій-87 – стабільним дочірнім ізотопом. Період напіврозпаду Рубідія-87 величезний: 48,8 мільярда років. Стронція також має стабільні «брати», такі як Стронцій-86. Цей ізотоп не змінюється. Він є точкою відліку.
Коли порода кристалізується, кожен мінерал усередині неї починає з однаковим ставленням Стронцію-87 до Стронцію-86. Однак відношення Рубідія-87 до Стронцію-86 варіюється від мінералу до мінералу. Деякі мінерали захоплюють більше рубідії, інші ігнорують його.
У міру проходження часу Рубідій-87 розпадається у Стронцій-87. Співвідношення змінюються. Вони зміщуються швидше у тих мінералах, які спочатку містили багато рубідії.
Якщо нанести на графік поточні відносини Стронцію-87 до Стронцію-86 залежно від відносин Рубідія-87 до Стронцію-86 для різних мінералів в одній і тій же породі, точки даних вишикуються в ряд. Вони утворюють пряму лінію.
Ця лінія називається ізохронною.
Нахил цієї лінії свідчить про вік. Більш крутий нахил? Старіша порода. Точка перетину лінії з віссю (де зміст рубідії дорівнює нулю) дає початкове відношення стронцію в момент формування.
Внутрішні та загальнородові ізохрони
Коли ви використовуєте мінерали з однієї породи, це є внутрішня ізохрона. Ви також можете масштабувати метод. Візьміть кілька порід, які утворилися одночасно і в одному місці, але мали різні початкові хімічні суміші. Побудуйте графік для них. Ви отримаєте загальнородову ізохрону.
Це елегантно. Це надійно. Це також неоднозначно.
Ізохрон датує момент. Але який саме момент?
Чи датує вона момент початкового формування мінералів? Чи це момент, коли порода пізніше зазнала нагрівання, що призвело до змішування та гомогенізації ізотопів стронцію? Нагрів скидає годинник. Без інших геологічних доказів ви завжди можете визначити, яке подія фіксує изохрона.
Якщо точки даних не утворюють пряму лінію, то система порушена. Вона була обурена. У метеоритах це пов’язані з ударом. Могутнє зіткнення розколює породу, перемішуючи ізотопи. Дані розкидаються. Годинник перестає працювати.
Привид короткоживучих ізотопів
Довгоживучі ізотопи дають нам абсолютні дати. Короткоживучі ізотопи складніші.
Багато короткоживучих радіонуклідів мали період напіврозпаду всього кілька мільйонів років. Вони зникли назад еони. Виміряти їх більше неможливо. Вони привиди.
Але їхні хімічні відбитки залишаються. Вчені можуть виводити їх початковий зміст, використовуючи метод ізохрону для дочірніх продуктів. Порівнюючи ці початкові змісти у різних метеоритах, дослідники можуть визначити відносні віки. Який об’єкт сформувався першим? Який пізніше?
Якщо у вас є абсолютна дата від довговічного ізотопу для одного об’єкта, ви можете калібрувати відносну часову шкалу для інших. Ви перетворюєте “старше, ніж” на “X мільйонів років”.
Це стало фокусом інтенсивних сучасних досліджень. Це складно. Чому? Тому що короткоживучі радіонукліди поводяться хімічно по-різному. Вони не підкоряються тим же правилам, що й довгоживучі ізотопи або самі один одному. Погодження тимчасової шкали – це головоломка з відсутніми фрагментами.
Тим не менш, картина напрочуд ясна, враховуючи обмеження.
Рефрактерні включення та час утворення хондр
Найстаріші об’єкти, які ми маємо, — це рефрактерні включення. Вони виявляються у метеоритах. Їх вік встановлено приблизно на рівні 4567 мільйонів років. Це перші тверді тіла, що конденсувалися із сонячної туманності.
Вони також містять найвищі сліди короткоживучих радіонуклідів. Це логічно. Вони сформувалися, коли Сонячна система була наймолодшою і радіоактивною.
Хондри йдуть слідом. Але їх абсолютні віки розмиті. Ми не маємо точних чисел.
Ми знаємо наступне: хондри у звичайних та вуглецевих хондритах містять сліди Алюмінію-26. Це передбачає, що вони формувалися протягом тривалого періоду. Вікно відчиняється через 1 мільйон років після утворення рефрактерних включень. Воно розтягується до 3 мільйонів років. Деякі інтерпретації збільшують період до 10 мільйонів років.
Тут точаться суперечки.
Чи вимірюємо ми момент плавлення та затвердіння хондр? Чи ми вимірюємо момент, коли пізніші події нагріву скинули ізотопний годинник у вже сформованих хондрах? Пізніші дати викликають сумніви. Вони можуть відбивати термічну метаморфізацію, а чи не початкове формування.
Цей метаморфізм завершився у час залежно від типу хондриту. У звичайних хондритах він припинився за 5–55 мільйонів років після утворення включень. В енстатитових хондритах він припинився через 9–34 мільйони років.
Чому така варіативність?
Все зводиться до фізики та геометрії. Більші батьківські тіла остигають повільніше. Вони довше утримують тепло. Те саме стосується і глибших регіонів усередині цих тіл. Діапазон віку — це не лише питання часу. Це також питання глибини та маси. Метеорити, які ми тримаємо в руках, є фрагментами складного механізму, що остигає, якому знадобилися десятки мільйонів років, щоб загаснути.
Ми маємо дати. Ми маємо методи. Але точна послідовність плавлення та охолодження в цих темних, стародавніх каменях все ще зберігає деякі свої секрети.
Визначення віку перших порід
Годинник для звичайних та енстатитових хондритів показує неточний час. Ми не знаємо їхніх точних дат народження. Однак закінчення їх метаморфізму встановлює жорсткі часові межі. Вони сформувалися пізніше як за п’ять мільйонів років після появи тугоплавких включень. Енстатитові хондрити, ймовірно, утворилися лише через два мільйони років.
Вуглецеві хондрити є ще більш давньою загадкою. Вода змінила їхні мінерали. Ця зміна відбулася швидко. Дані свідчать про те, що вони сформувалися протягом трьох-семи мільйонів років після появи тих самих включень. Можливо, це сталося менш як за один мільйон років.
Ахондрити розповідають іншу історію. Їхня магма кристалізувалася від 4,558 до 4,399 мільярдів років тому. Веста тут є винятком. Її батьківське тіло почало плавитися 4,565 мільярда років тому. Це раніше, ніж більшість інших.
Залізні та залізо-кам’яні метеорити кристалізувалися через 10–20 мільйонів років після формування включень. Однак поділ металу та силікатів стався менш ніж за 1,5 мільйона років.
Швидкість – ось ключовий момент. Багато астероїдів плавлися, диференціювалися і тверділи майже миттєво.
Чому ця швидкість має значення? Вона змінює наше уявлення про ранню Сонячну систему. Планети росли не повільно, збираючись із пилу. Вони реагували. Тепло стало доступним відразу. Диференціація була повільним дрейфом. То була швидка реакція на місцеві умови. Тимчасова шкала змушує нас переглянути швидкість акреції. Перші породи не просто чекали. Вони переробляли матеріал максимальної потужності.
Подорож від пояса астероїдів до нашої атмосфери миттєво не відбувається. Визначення того, скільки часу потрібно каменю, щоб здійснити цей шлях, допомагає вченим виявити механізми, які відповідають за доставку космічного сміття на Землю. Ми не можемо виміряти цей час подорожі прямо. Однак, ми можемо вивести його, використовуючи вік космічного опромінення. Цей показник показує, як довго метеорит знаходився у вигляді невеликого об’єкта — діаметром менше кількох метрів — у космічному просторі або біля більшого батьківського тіла.
Фізика космічного бомбардування
Високоенергетичні галактичні космічні промені, що складаються переважно з протонів, проникають у метеороїдний матеріал на глибину до кількох метрів. Якщо метеороїд менший за цей діапазон, він опромінюється наскрізь. Ці протони стикаються з атомними ядрами, вибиваючи інші протони та нейтрони. Цей процес, званий спалюванням, створює багато рідкісних ізотопних видів. Утворюються як стабільні, і радіоактивні елементи.
Концентрація радіоактивних ізотопів контролює швидкість бомбардування, тоді як стабільні види, такі як неон-21, вимірюють загальний час з початку опромінення.
Серед конкретних ізотопів виділяються стабільні благородні гази: гелій-3, неон-21, аргон-38 та криптон-83. Утворюються радіоактивні ізотопи з різними періодами напіврозпаду. До них відносяться берилій-10 (1,6 мільйона років), алюміній-26 (730 000 років), хлор-36 (300 000 років), кальцій-41 (100 000 років), марганець-53 (3,7 мільйона років) та криптон-81 (21).
Стабільні ізотопи накопичуються згодом. Неон-21, наприклад, вимірює загальну тривалість часу з моменту вилучення метеороїду внаслідок зіткнення. До цього зіткнення об’єкт був захищений усередині більшого тіла.
Розподіл вікових груп за типами метеоритів
Більшість метеоритів мають вік опромінення, що перевищує мільйон років. Розподіл значно відрізняється залежно від типу. Для хондритів кількість різко знижується зі збільшенням віку. Більшість звичайних хондритів мають вік менше ніж 50 мільйонів років. Вуглецеві хондрити, як правило, молодші, часто менше 20 мільйонів років. Ахондрити групуються в діапазоні від 20 до 30 мільйонів років.
Залізні метеорити розповідають іншу історію. Їхній вік опромінення охоплює набагато ширший діапазон, досягаючи двох мільярдів років. Піки у цих розподілах, мабуть, відбивають великі ударні події, які порушили їхні батьківські тіла.
Орбітальна динаміка та час зіткнень
Ці діапазони віку відбивають динамічну еволюцію орбіт метеороїдів та його час зіткнень. Практично немає метеоритів із віком опромінення менше одного мільйона років. Це передбачає, що орбіти не стають Землю, що перетинають, менш ніж за мільйон років.
Комп’ютерні моделі підтримують цю часову шкалу. Вони також передбачають, що час життя на орбіті має зменшуватись швидше, ніж вік космічного опромінення. Ця невідповідність призвела до нової теорії. Метеорити, ймовірно, проводять значний час у вигляді невеликих об’єктів, які мігрують усередині пояса астероїдів. Вони чекають, доки їхні орбіти не перетнуться з резонансом.
Резонанси – це області, де планети, особливо Юпітер, сильне гравітаційне обурення. Ці сили виштовхують метеороїди на траєкторії, що перетинають Землю.
Спад у кількості старих кам’яних метеоритів узгоджується з оцінками зіткнень. Половина будь-якої цієї популяції знищується зіткненнями за 5-10 мільйонів років. Верхня межа більшості кам’яних метеоритів становить 50 мільйонів років. Залізні метеорити живуть довше. Їхня велика міцність дозволяє їм зберігатися в космосі протягом мільярдів років. Механізми, що викидають це каміння, залишаються ключовою областю досліджень у розумінні того, як Сонячна система доставляє матеріал на нашу планету.
Короткоживучі радіонуліди та сонячна туманність
Ми знаємо, що зірки народжуються, коли щільні згустки міжзоряного газу колапсують під впливом своєї гравітації. Сонячна туманність, ймовірно, пройшла тим же шляхом. Метеорити надають фізичний доказ, що містить матеріал, що зберігся, що утворився до і під час цього колапсу. Але ось у чому проблема: ми досі не знаємо, що саме спровокувало колапс у нашому конкретному куточку Галактики.
Це були випадкові флуктуації щільності. Або щось специфічніше.
Докази вказують друге. Метеорити, особливо їх тугоплавкі включення, містять короткоживучі радіонуліди. Ці ізотопи були присутні у момент формування Сонячної системи, а не були додані пізніше космічними променями. Найбільш переконливим доказом є кальцій-41. Його період напіврозпаду становить приблизно 100 000 років. Щоб знайти його зараз, він повинен був бути включений в ці включення протягом декількох періодів напіврозпаду з моменту його утворення. Менш ніж за мільйон років. Це мить в астрономічних масштабах.
Інші короткоживучі радіонуліди мають більш довгі періоди напіврозпаду, тому вони не такі критичні. Але їх співвідношення має значення. Вчені порівнюють ці природні поширеності з тими, що ми очікуємо отримати від зоряних джерел.
Тригери від вмираючих зірок
Два основних кандидати домінують у пошуках джерела цих радіонудидів. По-перше, наднові. Масивні зірки, що вибухають наприкінці свого життя. По-друге, асимптотична гілка гігантів (AGB-зірки). Ці вмираючі зірки також викидають потужні вітри, що швидко рухаються, багаті саме тими ізотопами, які ми бачимо в метеоритах.
Комп’ютерні моделі підтримують цю теорію. Коли ударна хвиля від наднової або вітер AGB-зірки стикається з молекулярною хмарою, яка сама по собі не готова до колапсу, вона стискає газ. Хмара стає гравітаційно нестійкою. Воно колапсує. І, що важливо, матеріал вітру, насичений радіонудидними ізотопами, змішується з хмарою, що формується.
У цьому сценарії радіонудиди у метеоритах діють як відбитки пальців. Вони вказують на конкретний зірковий вітер, який запустив формування Сонця та планет.
Існує альтернативна версія, хоча вона менш переконлива. Деякі моделі припускають, що наймолодше, активне Сонце виробляло ці радіонудиди у вигляді інтенсивного випромінювання всередині сонячної туманності. Однак їй важко пояснити точні абсолютні та відносні поширеності, які ми бачимо. Жодна з моделей не є ідеальною. Але теорія зоряного вітру має перевагу.
Теплова історія поясу астероїдів
Як тільки почався колапс, першими з’явилися тверді тіла – ті самі тугоплавкі включення. Вони утворилися внаслідок короткочасних, жорстоких подій нагріву близько 4,567 мільярда років тому. Цей час збігається із градієнтом температури ранньої Сонячної системи. Меркурій сухий та кам’янистий. Юпітер багатий на газ і холодний. Внутрішня система була гарячою. Зовнішня система була холодною. Астрофізичні моделі пророкують це, навіть якщо точні цифри варіюються.
Одна з ідей щодо включень полягає в тому, що вони утворилися в конвективних потоках на краю гарячої частини внутрішньої туманності.
Пояс астероїдів розповідає іншу історію. Це було спокійне місце. Соняшниковий матеріал зберігся там. Існують водомісткі мінерали. Летючі елементи удосталь присутні в хондритових метеоритах. Це свідчить про повсюдне нагрівання в цьому регіоні. Це відповідає сучасним астрофізичним моделям холодної зовнішньої зони.
Але там не було цілковитої тиші. Хондри з’являються у більшості хондритових метеоритів, крім CI-хондритів. Це доводить наявність локальних, тимчасових стрибків температури. Коротких моментів екстремального нагріву в холодному середовищі.
Чому хондри важливі
Якби хондри були рідкістю, ми могли б їх ігнорувати. Але вони є такими. Вони становлять основу звичайних хондритів – найпоширеніших метеоритів, що падають на Землю. Вони також є важливою частиною інших хондритів. Ця маса вказує на те, що формування хондр було центральним процесом в еволюції ранньої Сонячної системи.
Навіть якщо батьківські тіла цих метеоритів сформувалися в обмеженій зоні поясу астероїдів, ця зона все одно є близько 10 відсотків загального обсягу пояса. І, мабуть, інші хондритові астероїди сформувалися далі, навіть якщо вони перебувають у внутрішньому поясі.
То як вони утворилися? Електричні розряди. Ударні хвилі. Зіткнення між розплавленими астероїдами. Вихлоп від молодого Сонця. Список довгий. Жодна з гіпотез ще отримала загального визнання.
Ключ може бути час. Віки хондр можуть розрізняти ці теорії. Якщо вони сформувалися протягом 1–10 мільйонів років після утворення включень, деякі моделі руйнуються. Але якщо їх виміряний вік просто відображає момент їх повторного нагріву або зміни всередині батьківських тіл, проблема зникає.
Запис все ще продовжується. Радіонудіди дали нам початкову дату. Хондри дають нам безладну, складну середину. Що сталося далі, досі частково приховано пилом 4,5 мільярда років.
Як Юпітер розсіяв пояс астероїдів і сформував ранню Сонячну систему
Таємниця нагріву астероїдів
Астероїди не з’явилися так просто. Вони почали формуватись, можливо, через мільйон років після конденсації перших твердих матеріалів у сонячній туманності. Протягом п’яти-десяти мільйонів років вони вже стали гарячими, щоб розплавитися. Деякі з них зазнали гідротермальної зміни. В інших вулканічна активність тривала до 170 мільйонів років. Ми досі точно не знаємо, що живило це нагрівання.
Провідна теорія вказує на короткоживучі радіоактивні ізотопи, такі як алюміній-26 та залізо-60. Вони швидко розпадаються, виділяючи інтенсивне тепло. Але справа була не лише у радіоактивності. Мабуть, свою роль грали електричні струми, індуковані ранніми сонячними вітрами. Гравітаційна потенційна енергія, що виділилася у процесі акреції, додала ще більше тепла. Точне співвідношення цих чинників залишається загадкою.
Швидке планетоутворення
Це відбувалося у поясі астероїдів. Тіла розміром із астероїди формувалися всюди. Вони почали зливатися у більші фрагменти. Цей процес зрештою призвів до формування кам’янистих внутрішніх планет. Це відбувалося швидко.
Місяць, ймовірно, утворився, коли тіло розміром з Марс зіткнулося з Землею, що росте. Найстаріші датовані місячні породи мають вік близько 4,44 мільярда років. Дані свідчать, що Місяць сформувався протягом 30 мільйонів років після появи перших твердих тіл. Марс сформувався ще швидше. Його найдавніші метеоритні матеріали мають вік 4,5 мільярда років, але сама планета затверділа приблизно через 13 мільйонів років після появи цих перших твердих тіл.
Протягом 30 мільйонів років крихітні частинки перетворилися на повноцінні кам’янисті планети.
Дефіцит маси в поясі астероїдів
Щоб астероїди формувалися та еволюціонували у такі короткі терміни, початкова щільність речовини мала бути високою. Вона, мабуть, нагадувала щільність у областях, де знаходяться планети-гіганти. Сьогодні пояс астероїдів містить дуже мало маси. Можливо, збереглася лише одна десятитисячна частина вихідного матеріалу.
Щось усунуло майже все. Що очистило цей регіон від уламків?
Гравітаційне чищення Юпітера
Найімовірнішим винуватцем є Юпітер. Формування планет-гігантів, особливо Юпітера, швидко евакуювало велику частину речовини з цього регіону. Метеорити показують мінералогічні та хімічні записи, які не відповідають тому, що вони були частиною планети розміром із Місяць. Це має на увазі, що Юпітер сформувався швидко. Він виріс до розмірів до того, як астероїди могли перетворитися на повноцінні планети.
Перш ніж Юпітер досяг своєї поточної маси, астероїди рухалися майже круговими орбітами. Потім, у міру завершення формування Юпітера і Сатурна, розподіл мас, що змінюється, відправив через пояс хвилі гравітаційного резонансу. Ці хвилі збільшили ексцентриситет та нахил орбіт астероїдів до помірних значень, які ми спостерігаємо сьогодні.
Виходячи з віків астероїдів та їх поточних обмежень за розмірами, протопланета Юпітер мала почати захоплювати величезні кількості водню та гелію із сонячної туманності протягом приблизно одного мільйона років після формування Сонячної системи. Це швидке зростання вимагало складнішого механізму формування, ніж у кам’янистих планет. Це була не просто акреція. Це був динамічніший процес.
Метеорити як зонди
Ця сценарна модель ранньої еволюції Сонячної системи, мабуть, невірна у деяких деталях. Можливо, у багатьох. Без зразків астероїдів та примітивних матеріалів, що надаються метеоритами, у нас не було б спостережної бази для цих моделей. Метеорити є ефективними “зондами для бідних”. Доки космічні місії не доставлять різноманітні зразки з астероїдів і комет, метеорити залишаться найточнішим джерелом даних для розуміння того, як еволюціонувала Сонячна система.
Історія не завершено. Нові зразки переписують хронологію. Прогалини в наших знаннях настільки ж важливі, як і факти, які ми маємо.
