В 2008 году камень, покрытый крошечными алмазами, пронесся через земную атмосферу. Несколько телескопов наблюдали за его полетом, зафиксировав мощный взрыв на высоте 37 километров, после чего оставшиеся фрагменты просыпались огненным дождем в Нубийской пустыне в Судане.
Взрыв и падение были последними моментами жизни метеорита, образовавшегося миллиарды лет назад при высоком давлении, и с тех пор блуждавшего по Солнечной системе до встречи с Землей.
Новое исследование, опубликованное сегодня в Nature Communications, рассказывает драматическую историю происхождения этого метеорита. Исследуя материалы, найденные внутри алмазов из упавших фрагментов, исследователи предположили, что метеорит может быть остатком давно исчезнувшей планеты или планетарного эмбриона, который был еще в зачаточном состоянии, когда хаос в ранней Солнечной системы уничтожил его.
Алмазы — лучшие друзья геолога
В нашем случае драгоценные камни не являются самой важной частью этой истории. Они — просто сверхпрочная упаковка для гораздо более ценных грузов, находящихся внутри. В то время, как ювелиры считают инородное вещество в ловушке внутри алмаза за недостаток, геологу это наоборот наиболее ценно. Из-за их крепкой кристаллической структуры алмазы могут сохранять незначительное количество материала, который в противном случае исчез бы под неустанной изменчивостью вселенной с течением времени.
Исследователь Фарханг Набии из Политехнической школы в Лозанне (Швейцария) изучал взаимосвязь между алмазами и слоями графита, окружающими их, когда он начал задаваться вопросом о небольших вкраплениях веществ, попавших внутрь.
При ближайшем рассмотрении он обнаружил, что материал внутри алмазов мог быть сформирован только при невероятно высоких давлениях — намного выше, чем при ударе метеорита о Землю. Эти драгоценные камни, должно быть, держали вес всего мира — буквально. Давление в 20 гигапаскалей, необходимое для их образования, вероятно, возможно только глубоко внутри планеты с размерами между Меркурием и Марсом.
След в небе от упавшего в пустыне метеорита
Однако этот космический посетитель не был родом с Меркурия или Марса. Метеорит был классифицирован как уреилит — это группа метеоритов с таинственным происхождением, представляющие собой куски какого-либо планетарного тела или астероида, которые не совсем соответствуют тем каменистым метеоритам, которые мы чаще всего находим на Земле. Исследователи уже знают, что чем бы то ни было первородное тело, оно разрушилось еще на ранней стадии существования Солнечной системы, но масштаб этого объекта не был известен до тех пор, пока не были описаны включения в алмазы. Размер последних — еще один ключ к их глубокому происхождению.
«100 микрометров не кажутся чем-то большим — это размер человеческого волоса, но это гораздо больше тех алмазов, которые получаются при преобразовании графита при ударе метеорита о Землю», — говорит Томас Шарп, геолог из Университета Аризоны, который не участвовал в новых исследованиях, но изучает метеориты с использованием аналогичных инструментов электронной микроскопии.
«Важная часть головоломки заключается в том, что найденные алмазы большие и зонированные, что решительно поддерживает идею о том, что они сформировались на большой глубине (а не в результате, например, столкновения)», — пишет с электронном письме Ребекка Фишер, планетарный ученый из Гарвардского университета. Фишер указывает, что объемный состав материала внутри алмазов (железносерное соединение с никелем (Ni) и фосфором (Р)), скорее всего, образуется только при высоких давлениях. «Fe3S — хорошо изученное вещество, стабильное только при давлениях свыше 21 ГПа. Добавление в него Ni и P может изменить давление, при котором оно стабильно, но авторы утверждают, что это не играет большой роли, учитывая объемный состав, который они видят. Это может быть проверено в будущих экспериментальных исследованиях. Также будет интересно продвигаться вперед, продолжая изучать алмазы из уреилитов, чтобы увидеть, захватили ли они какие-либо другие вещества, образующиеся при высоком давлении, что будет оказывать сильную поддержку интерпретации исследователей».
Фрагмент уреилита под микроскопом. Черное вещество — графит, сине-серое — алмаз, желтое — вкрапления.
Ранние планеты
Это дает новые доказательства того, что протопланеты, или планетарные эмбрионы, появились на ранних стадиях образования Солнечной системы, когда она выглядела совсем не так, как сегодня. Юпитер и другие газовые планеты быстро росли, и их гравитация (наряду с Солнцем) имела тенденцию влиять на меньшие объекты вокруг. Эти мелкие объекты тоже быстро формировались. Предыдущие исследования изотопов, обнаруженных в марсианских метеоритах, показывают, что планета сформировалась быстро, в первые 2 миллиона лет существования Солнечной системы.
«Следствием было то, что Марс — это застрявший во времени планетарный эмбрион, появившийся очень рано и доживший до наших дней, поэтому можно предположить, что существовали планетарные тела такого же размера, которые сформировались очень рано и участвовали в сценариях формирования известных нам сейчас планет», — говорит Минакши Вадхва, директор Центра Исследования метеоритов в Университете Аризоны.
«Динамические модели уже давно предполагали, что во внутренней части Солнечной системы на ранней стадии присутствовало множество тел с размерами от Луны до Марса, но, как правило, они считаются либо разрушившимися, либо упавшими на Солнце, либо выброшенными из Солнечной системы силами гравитации», — говорит Фишер. «Это действительно интригующее свидетельство того, что на самом деле у нас есть образцы одного из этих тел».
Художественное изображение столкновения протопланет.
Планетарные ученые все еще не уверены, где в Солнечной системе родительское тело разломалось на уреилиты, и как оно было в конечном счете разрушено, но они анализируют образцы, собранные со всего мира, чтобы попытаться узнать больше об этом.
«Были изучены другие классы метеоритов, для которых было высказано предположение о том, что они, возможно, появились из довольно большого родительского тела, но они ничего не говорили о размерах этих тел», — говорит Вадхва. Он изучает хронологию ранней Солнечной системы, измеряя, когда начала образовываться кора на планетарных эмбрионах (через 2-4 миллиона лет после образования Солнечной системы), а другие группы ученых исследуют, как рано сформировались плотные металлические ядра ранних планет (когда Солнечной системе был 1 миллион лет). Но выяснение того, насколько старыми были эти объекты — одна задача. Оценить, насколько велики они были — совсем другая. «Я бы сказал, что новый способ дает самую лучшую оценку размеров уже давно не существующих планет. И это, конечно, захватывающе», — говорит Вадхва.
Удар по системе
Компьютерные модели, детализирующие процесс формирования Солнечной системы, говорят о достаточно быстром его прохождении. Из газопылевого диска, окружавшего нашу звезду, вначале образовались газовые гиганты, и вскоре после этого стали «слепляться» более мелкие каменистые тела. В то время как сегодня у нас есть только четыре скалистые планеты, а также несколько небольших лун и множество астероидов, тогда — в первые 10 миллионов лет существования Солнечной системы — существовали, возможно, десятки планетарных эмбрионов, каждый из которых накапливал столько материала, сколько мог.
Тогда, более 4 миллиардов лет назад, пространство было ими переполнено, мягко говоря. И как в любой переполненной среде, иногда происходили столкновения. Достаточно редко эти процессы были созидательными — так, в одном из них образовалась наша Луна. Но чаще всего они были разрушительными.
Обломки метеорита из Нубийской пустыни также свидетельствуют об разрушительном процессе. Некоторые из найденных алмазов относительно велики для обычных метеоритов — около 10 микрометров в поперечнике, хотя драгоценные камни такого размера встречались в них и ранее. Но новое исследование, проведенное Набии и его коллегами, показывает, что наряду с тем, что алмазы служат капсулами времени, хранящими информацию об образовании нашей планетарной системы, они также свидетельствуют и о некоторых грубых межпланетных отношениях.
Фрагмент упавшего в Нубийской пустыне метеорита Альмахата-Ситта
Найденные алмазы были окружены слоями графита, что не так уж и необычно. Графит и алмаз — это просто разные формы одного и того же вещества, углерода. Но, основываясь на расположении алмазов, Набии не считает, что они образовались из окружающего графита. Вместо этого, вероятно, алмазы частично превратились в графит во время серьезного столкновения, которое отделило метеорит от его родительского тела, планетезимали.
Нужно больше метеоритов
Есть еще довольно много других образцов уреилитов для изучения и тестирования, чтобы понять, вписываются ли они в образ давно потерянной планеты, которую это исследование нарисовало для нас. «Это задает вопрос — есть ли еще такие метеориты?» — говорит Шарп. «Существуют ли другие образцы с алмазами, которые нужно исследовать, чтобы определить, сформировались они в больших телах, или все же при столкновениях?»
«Мы провели исследование, основанное на одном конкретном образце уреилита, и теперь мы пытаемся посмотреть на другие образцы и вставить их в общую картину», — говорит Набии. Он собирается продолжить свои исследования в Швейцарии, используя еще несколько мелких фрагментов метеоритов, чтобы заполнить пробелы в истории нашей Солнечной системы.
«Мы рассматриваем включения, имеющие размеры десятки нанометров, а затем говорим о планетах диаметром в тысячи километров», — говорит Набии. «Это две крайности диапазона размеров. Я не мог себе представить, что, используя микроскопию, я смогу рассказать о образовании планет. Это раздвигает границы того, что мы можем видеть».
