Хроники ранней Солнечной системы

Прежде чем Солнце зажглось, а Земля обрела свою кору и океаны, в холодном межзвездном облаке уже были «записаны» изотопные метки, определившие облик будущих планет. Долгое время считалось, что протосолнечное облако было изотопно однородным, а значит, все различия между планетами и метеоритами объясняются исключительно физическими процессами в диске. Но данные последних лет, полученные на масс-спектрометрах сверхвысокой точности, заставили ученых усомниться в этой картине: даже метеориты одного типа несут следы разных изотопных аномалий, а распределение алюминия-26 не укладывается в простые модели.

О том, как проверяли «однородность» облака заново, почему вопрос о начальном состоянии вещества — это не академическая любознательность, а ключ к радиоизотопному датированию и пониманию происхождения Земли, «Ъ-Наука» поговорил с Мариной Ивановой, доктором геолого-минералогических наук, ведущим научным сотрудником лаборатории метеоритики и космохимии ГЕОХИ РАН. Она рассказала, зачем каждое включение сначала «описывают» под электронным микроскопом, как измеряют изотопы магния в образцах массой в доли миллиграмма, что означает непрерывный ряд вариаций вместо ожидаемых кластеров и почему он подтверждает «модель наследования», а также почему столь быстрое формирование тугоплавких включений задало жесткую временную «нулевую точку» для последующих этапов эволюции Солнечной системы.

— За последнее время с появлением масс-спектрометров сверхвысокой точности появилось большое количество данных по изотопным исследованиям метеоритов разных типов. Эти данные выявили масс-независимые отклонения в изотопном составе некоторых элементов — например, ⁵⁰Ti, ⁵⁴Cr, ⁹⁵Mo, ⁵⁸Ni, ¹⁶O. Даже метеориты одного типа фиксировали следы разных аномалий этих изотопов.

Именно изотопные маркеры указывали на то, что вещество во внутренней и внешней части Солнечной системы образовывалось, вероятно, из разных порций звездного нуклеосинтеза и не было идеально перемешано. А распределение алюминия-26 происходило очень рано и демонстрировало такие неоднородности, которые нельзя было объяснить простым распадом короткоживущего изотопа со временем, поэтому появилась необходимость снова изучить первичный изотопный состав самых первых древних образований Солнечной системы, Ca,Al-включений (CAIs).

— Разница во времени и механизме формирования химической и структурной неоднородности нашей Солнечной системы. Если до рождения Солнца изотопный состав облака был перемешан до однородного состояния, то изотопный состав планет зависел исключительно от физических процессов (температуры, давления, гравитации) в диске. Если же в разных частях досолнечного облака был разный изотопный состав, то изотопный состав планет земной группы и метеоритов обусловлен тем, из какого изотопного резервуара межзвездного облака они образовались. Почему это важно?

Без понимания начального состояния (точки отсчета неоднородности) невозможно использовать радиоизотопное датирование с высокой точностью, например, по алюминию-26. Также невозможно понять, является ли Земля и подобные ей планеты результатом физических процессов в диске или все-таки это наследие неперемешанного резервуара досолнечного облака.

— Как раз эта часть работы по веществу была под моей ответственностью. В первую очередь нужно было убедиться, что анализируемые минеральные фазы в CAIs не претерпели никаких водных, метасоматических и метаморфических преобразований. Участие этих процессов в истории вещества сразу же отражается на изотопных данных, что не позволило бы разобраться в первичной неоднородности, поэтому нужно было найти и подобрать первичные исходные минералы, а убедиться в их первичности и «свежести» как раз и позволяют методы электронной микроскопии и электронно-зондового микроанализа. Также нужно было собрать представительную выборку образцов — CAIs разных структурно-петрологических типов, чтобы полученные выводы касались всех возможных типов первичного вещества.

— Выбор метода зависит от цели исследования. Для изучения распределения изотопов магния внутри отдельных минералов CAIs in situ использовался метод масс-спектрометрии вторичных ионов. Его локальность (ионный микрозонд выжигает кратер 2–8 микрон) и точность как раз подходят для обнаружения крупных изотопных аномалий. Определить с наиболее высокой точностью избыток радиогенного магния-26 в валовых пробах включений позволяет метод масс-спектрометрии индуктивно связанной плазмой. Для решения наших задач по изучению первичной неоднородности мы использовали оба метода. Современная методика с применением стандартов и протокол статистической обработки данных позволяют добиться высокой точности и надежности результатов, но в целом процесс измерения изотопов магния довольно трудоемкий и долгий, если считать от начала выбора объектов изучения до интерпретации полученных данных.

— Никогда не знаешь, какие будут получены результаты и какие выявятся закономерности. Мы показали, что тугоплавкие включения характеризуются различным начальным изотопным составом магния. Действительно, в полученных данных не наблюдалось какой-либо группировки значений; напротив, вариации изотопного состава магния, по-видимому, происходили непрерывно, и связано это со временем формирования этих включений. Эти результаты позволили предположить, что состав вещества, выпадавшего на формирующийся протопланетный диск на самой ранней стадии, быстро менялся в течение короткого промежутка времени (<200 тыс. лет), когда и происходило образование тугоплавких включений.

Наши данные подтверждают так называемую модель наследования, согласно которой изотопная неоднородность вещества Солнечной системы напрямую отражает неполное перемешивание протосолнечного молекулярного облака. Таким образом, эта непрерывность доказала, что ранний диск был непрерывно эволюционирующей системой, где процессы перемешивания шли быстрее, чем процессы изоляции отдельных зон. Кластеры значений свидетельствовали бы о появлении изолированных изотопных резервуаров сразу же, с самого начала.

— Сложно сказать, но по крайней мере по статистическим критериям это хорошая выборка, позволяющая характеризовать первичный состав магния. Мы старались подобрать все имеющиеся петрологические типы CAIs, отличающиеся между собой структурой, минеральным и химическим составом. Безусловно, для подтверждения наших выводов потребуется еще проведение подобных работ другими группами исследователей и в других лабораториях. Что вызвало сомнение? Наверное, хаотично разбросанные данные, не представляющие ни непрерывный ряд, ни кластеры, а просто беспорядочный набор точек, не подчиняющийся никакому распределению и не позволяющий интерпретировать данные.

— Да, скорее всего, облако было неоднородным, и разные планеты и типы метеоритов содержат в себе свои «записи» или маркеры изотопных резервуаров облака.

Схема распределения вещества по изотопному составу метеоритов, Земли, Луны и Марса уже существует, хотя данные продолжают накапливаться. Эта схема представляет так называемую великую изотопную дихотомию космического вещества, согласно которой оно подразделяется на углистое (СС, carbonaceous) и неуглистое (NC, non-carbonaceous) вещество. СС-вещество формировалось за «снежной линией» (в области низких температур, где вода находится в виде льда), во внешней части диска, а NC-вещество формировалось во внутренней его части, согласно распределению изотопного состава многих элементов. Например, железные метеориты могут быть СС и NC, согласно выявленной дихотомии.

— Да, меняет. Интервал менее чем в 0,2 млн лет — это очень короткий интервал формирования CAIs и является важнейшей временной «нулевой точкой» Солнечной системы. Он показывает, что твердые вещества сформировались практически мгновенно и такое быстрое формирование CAIs сжало временные рамки для последующих этапов.

Зародыши планет появились почти одновременно с CAIs (в первые 1–2 млн лет), и они содержали большое количество радиоактивного изотопа алюминия-26, период полураспада которого составляет всего ~700 000 лет. Распад алюминия-26 привел к быстрому плавлению первых планетезималей и их дифференциации (разделению на оболочки: ядро, мантию) уже за первый миллион лет. То есть, простыми словами, все сформировалось очень быстро, а не раскачивалось многие миллионы лет.

— Дальше исследователями планируется перейти к измерению изотопного состава других элементов (хрома, титана, например). Это касается вещества, а затем по возможности провести сопоставление с астрономическими наблюдениями протопланетных дисков, но это уже будет работа астрономов в сотрудничестве с космохимиками.

Результаты работы опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.