Кислородная аномалия ранних пород Солнечной системы получила простое объяснение

Сорок лет назад в каменном метеорите, который взорвался над мексиканской деревней Пуэблито-де-Альенде, была обнаружена и позднее подтверждена на примере других метеоритов странная штука. Изотопный состав кислорода в древнейших породах Солнечной системы кардинально отличается от того, что наблюдается в земной коре, а также на Луне и Марсе. Очевидно, перед нами результат каких-то иных процессов нежели те, что привели к формированию земных минералов и хорошо изучены. Соответственно, понимание этих процессов позволило бы заглянуть на 4,6 млрд лет в прошлое и выяснить, что происходило на заре существования нашей системы.

Именно это и сделали сотрудники Калифорнийского университета в Сан-Диего (США) — воссоздали захват молекул вещества, находящегося в газообразном состоянии, и формирование твёрдых пород, силикатов, которые впоследствии становились планетами. Тем самым удалось продемонстрировать, что на самом деле причина в простой химической реакции и базовых физических законах.

Кислород-17 (изотоп с одним лишним нейтроном на каждый протон) включается в состав молекул в полтора раза чаще, чем кислород-18 (два дополнительных нейтрона). А в метеоритах, образовавшихся в первые миллионы лет существования Солнечной системы, данная пара тяжёлых изотопов встречается в равных долях, то есть скорость, с которой они включались в минералы, не зависела от их массы.

Тридцать лет назад соавтор нынешнего исследования Марк Тименс продемонстрировал подобное независимое от массы фракционирование изотопов кислорода при образовании озона. Однако механизм аналогичного процесса при формировании твёрдой породы до сих пор никому не удавалось продемонстрировать экспериментально.

Поэтому для объяснения аномалии было выдвинуто несколько гипотез. Одни предполагали, что в эпоху формирования наиболее раннего твёрдого вещества в Солнечной системе смесь изотопов кислорода была иной — возможно, из-за материала, попавшего к нам благодаря взрыву соседней сверхновой. Другие высказывались в пользу фотохимического эффекта под названием самоэкранирование, но та же самая группа исследователей доказала несостоятельность этой идеи. Дольше всех продержалась мысль о том, что всё дело в таком принципе физической химии, как симметрия.

Субрата Чакраборти и его коллеги проверили её следующим образом. Они наполнили камеру размером с хоккейную шайбу чистым кислородом, к которому в ходе экспериментов добавлялось различное количество чистого водорода и маленькую чёрненькую крупицу твёрдого моноооксида кремния, которая испарялась с помощью лазера. Именно такую смесь газов можно видеть в радиотелескопы при наблюдении межзвёздных облаков — отправных пунктов для формирования систем, подобных нашей.

Находясь в газообразном состоянии, SiO реагировал с кислородом и водородом, образуя диоксид кремния SiO₂ — твёрдое вещество, которое оседало в виде пыли. Именно оно послужило основой силикатных минералов (например, кварца), которые преобладают в земной коре, и именно такие реакции с участием газов сформировали самый ранний твёрдый материал Солнечной системы.

Г-н Чакраборти и его студентка Петя Янчулова собрали и проанализировали пыль. Изотопный состав оказался аналогичен наблюдаемому в каменных метеоритах. Степень аномалии варьировалась в зависимости от процентного содержания водорода, который играл роль ранней земной атмосферы, — отсюда вывод о том, что в основе реакций лежит принцип симметрии.

Как видим, для воспроизведения кислородной аномалии не потребовалось никакой магии. Довольно-таки простой пример физической симметрии.

Результаты исследования опубликованы в журнале Science.

Подготовлено по материалам Калифорнийского университета в Сан-Диего

Рейтинг публикации:

0

Комментарии (0) | Распечатать

Добавить новость в: