Gli elementi costitutivi della Terra potrebbero provenire da più lontano nel Sistema Solare

La Terra si è formata oltre 4,5 miliardi di anni fa per accrescimento. I mattoni della Terra erano pezzi di roccia di varie dimensioni. Dalla polvere ai planetesimi e tutto il resto. Molti di quei pezzi di roccia erano meteoriti carboniose, che gli scienziati ritengono provenissero da asteroidi nelle zone più esterne della cintura principale degli asteroidi.

Ma alcune prove non si allineano bene dietro questa conclusione. Un nuovo studio afferma che alcuni dei meteoriti che formano la Terra provenivano da molto più lontano nel Sistema Solare.

L’ipotesi nebulare è la spiegazione ampiamente accettata per la formazione del Sistema Solare. Dice che una massa di gas e polvere è collassata gravitazionalmente e ha formato un disco rotante. Il Sole si formò al centro del disco e tutto il resto si formò da ciò che restava.

Una caratteristica critica del Sistema Solare è la linea del gelo. La linea del gelo divide il Sistema Solare in due regioni. Oltre la linea del gelo, fa abbastanza freddo perché i volatili si solidifichino in granelli di ghiaccio. I volatili includono acqua, ammoniaca, anidride carbonica, monossido di carbonio e metano. All’interno della linea del gelo, l’energia del Sole riscalda il materiale circostante e rompe le sostanze volatili. Il vento solare del Sole li allontana quindi dalle regioni interne. Una volta superata la linea del gelo, possono solidificarsi. Di conseguenza, il materiale interno è più secco e roccioso, mentre le fredde regioni esterne sono più ghiacciate.

La linea del gelo non è sempre stata nello stesso posto. Il Sole ha spinto la linea del gelo ulteriormente verso l’esterno mentre il Sistema Solare si è evoluto. Questo perché inizialmente il Sole era meno energico di quanto non lo sia ora. Anche la nebulosa solare era più opaca.

Il Sole è costituito da un campione rappresentativo dei materiali nella nebulosa solare perché è stato il primo corpo a formarsi. Ma i pianeti no. Le loro posizioni rispetto alla linea del gelo e i tipi di materiali all’interno e all’esterno della linea del gelo ne hanno governato la formazione. I pianeti interni, Mercurio, Venere, Terra e Marte, sono prevalentemente rocciosi (composti principalmente da elementi più pesanti, come ferro, magnesio e silicio), mentre i pianeti esterni oltre la linea del gelo sono composti principalmente da elementi più leggeri, principalmente idrogeno, elio , carbonio, azoto e ossigeno.

Con l’accrescimento della Terra, le condriti carboniose hanno svolto un ruolo nella formazione del pianeta. Gli astronomi pensano che le condriti carboniose (CC) provengano dalle regioni esterne della cintura principale degli asteroidi. Esistono diverse famiglie di CC in base alla loro composizione e ogni famiglia ha lo stesso corpo genitore. I singoli CC sono frammenti del corpo genitore risultanti dagli impatti tra oggetti nella cintura degli asteroidi.

Ma un nuovo studio dice che potrebbero esserci di più in corso. I ricercatori dietro di esso affermano che alcune delle condriti carboniose provenivano da asteroidi che si sono formati molto più lontano nel Sistema Solare esterno, al di fuori della cintura principale degli asteroidi e ben oltre la linea del gelo.

Lo studio è “Formazione e differenziazione a distanza degli asteroidi della cintura principale esterna e dei corpi genitori di condriti carboniose”. I ricercatori dell’Earth-Life Science Institute (ELSI) del Tokyo Institute of Technology hanno condotto lo studio e l’assistente professore Hiroyuki Kurokawa è l’autore principale. Lo studio è pubblicato sulla rivista AGU Advances.

La concezione artistica di una collisione di asteroidi, che porta a come "famiglie" di queste rocce spaziali sono realizzate nella fascia tra Marte e Giove.  Credito: NASA/JPL-Caltech
Concezione artistica di una collisione di asteroidi nella cintura tra Marte e Giove. Credito: NASA/JPL-Caltech

Lo studio si concentra sulla composizione degli asteroidi nella fascia di asteroidi tra Marte e Giove. Le osservazioni degli asteroidi nella parte esterna della cintura rivelano una caratteristica di riflettanza che indica ghiaccio d’acqua e/o argille di ammonio (fillosilicati ammoniti) sulla loro superficie. Questi materiali sono stabili solo a temperature più basse e non possono formarsi facilmente nella loro posizione attuale. Alcune prove mostrano che questi asteroidi sono i corpi genitori dei CC. Ma la cosa sconcertante è che i meteoriti recuperati sulla Terra generalmente mancano delle stesse caratteristiche.

Questa figura dello studio mostra una profondità di assorbimento di 3,1 µm (asse orizzontale) che indica la presenza di fillosilicati ammoniacali.  I cerchi neri sono asteroidi osservati dal satellite astronomico a infrarossi AKARI.  Credito immagine: Kurokawa et al.  Anticipi AGU 2022
Questa figura dello studio mostra la profondità di assorbimento di 3,1 µm lungo l’asse orizzontale per diversi asteroidi. La profondità di assorbimento indica la presenza di fillosilicati ammoniacali. I cerchi neri sono asteroidi osservati dal satellite astronomico a infrarossi AKARI. Credito immagine: Kurokawa et al. 2022 Anticipi AGU

Questa discrepanza è una delle caratteristiche sconcertanti della cintura di asteroidi.

La nuova ricerca suggerisce una soluzione per questo enigma. Alcuni asteroidi potrebbero essersi formati nelle zone più lontane del Sistema Solare, quindi sono stati trasportati verso l’interno del Sistema Solare da processi di mescolamento caotico. “I nostri risultati suggeriscono che più grandi asteroidi della cintura principale si siano formati oltre il NH3 e CO2 linee di neve (attualmente> 10 au) e potrebbero essere trasportati nelle loro posizioni attuali “, afferma lo studio.

Questi asteroidi erano abbastanza grandi da essere differenziati, il che significa che avevano nuclei e mantelli con composizioni diverse. I mantelli erano ricchi d’acqua e i nuclei erano più densi. “I fillosilicati ammoniacali si formano all’interno dei mantelli ricchi d’acqua dei corpi differenziati contenenti NH3 e CO2 con rapporti acqua-roccia elevati (> 4) e basse temperature (<70 ° C), "spiega lo studio.

I CC possono provenire dai densi nuclei rocciosi di questi asteroidi. Poiché questi nuclei sono più pesanti e più solidificati, è più probabile che vengano campionati come meteoriti. “I CC possono provenire dai nuclei dominati dalla roccia, che è probabile che vengano campionati preferenzialmente come meteoriti da processi di interruzione e trasporto”, scrivono i ricercatori.

Questa immagine dello studio mostra uno scenario per la formazione e l'evoluzione di grandi asteroidi del complesso C nella cintura principale e la loro relazione con le condriti carboniose.  Fase 1: Accrescimento.  Fase 2: differenziazione e alterazione.  Fase 3: Congelamento (la lunghezza dipende dalle dimensioni).  Fase 4: interruzione catastrofica.  Credito immagine: Kurokawa et al.  Anticipi AGU 2022
Questa immagine dello studio mostra uno scenario per la formazione e l’evoluzione di grandi asteroidi del complesso C nella cintura principale e la loro relazione con le condriti carboniose. Fase 1: Accrescimento. Fase 2: differenziazione e alterazione. Fase 3: Congelamento (la lunghezza dipende dalle dimensioni). Fase 4: interruzione catastrofica. Credito immagine: Kurokawa et al. 2022 Anticipi AGU

Gli asteroidi si formano per accrescimento come fanno i pianeti. Questo è rappresentato in 1 nella figura sopra. Alcuni di loro si sono formati oltre la linea del gelo, dove hanno accumulato ghiaccio NH3 e CO2 oltre al ghiaccio d’acqua. I grandi asteroidi si differenziano quindi in mantelli e nuclei, mostrati in 2. La parte 3 nella figura mostra l’asteroide differenziato dopo il congelamento. Il mantello idratato della regolite manca delle caratteristiche di riflettanza del display CCs on Earth. La parte 4 mostra come le collisioni possono distruggere l’asteroide genitore. I meteoriti a frammentazione dal nucleo idratato hanno le stesse caratteristiche dei CC sulla Terra.

Se questo studio è accurato, indica una stranezza nella formazione del Sistema Solare. Gli astronomi pensano che Giove sia migrato entro 1,5 UA dal Sole, quindi sia migrato di nuovo verso l’esterno nella sua posizione attuale. Anche Saturno ha subito una migrazione. Questi movimenti sono chiamati Grand Tack Hypothesis.

Le migrazioni dei due pianeti più massicci del Sistema Solare hanno interessato la fascia degli asteroidi. Gli asteroidi furono dispersi e molti di loro finirono in posizioni in cui non si erano formati. Durante quegli eventi di dispersione, ci sono state collisioni, creando CC. Alcuni dei CC che formarono la Terra provenivano da queste collisioni tra asteroidi originari di oltre la linea del gelo.

Questo studio si basa sia su osservazioni che su modelli. Molte osservazioni provengono dal satellite AKARI, guidato da JAXA, la Japan Aerospace Exploration Agency. AKARI era un satellite astronomico a infrarossi che eseguiva un rilevamento di tutto il cielo in più bande infrarosse. AKARI ha prodotto un catalogo di oltre 5.000 asteroidi nell’infrarosso.

Illustrazione artistica del satellite a infrarossi AKARI.  Credito immagine: JAXA
Illustrazione artistica del satellite a infrarossi AKARI. Credito immagine: JAXA

“Sulla base di questi risultati, abbiamo proposto che diversi, se non tutti, asteroidi del complesso C e corpi progenitori CC si siano formati oltre NH3 e CO2 nevicate e differenziate”, scrivono gli autori nella loro conclusione. “L’origine lontana degli asteroidi del complesso C è naturalmente prevista dalla moderna teoria della formazione dei pianeti che coinvolge la migrazione di ciottoli e planetesimi su scala del Sistema Solare”, spiegano.

Fortunatamente, gli scienziati hanno più cose da fare oltre alle osservazioni e alla modellazione. Presto avranno pezzi di asteroidi da studiare.

La missione giapponese di campionamento dell’asteroide Hayabusa 2 ha raccolto campioni dall’asteroide Ryugu. La navicella spaziale ha restituito i campioni di asteroidi nel dicembre 2020. La missione di campionamento di asteroidi OSIRIS-REx della NASA ha raccolto campioni dall’asteroide vicino alla Terra Bennu. Quei campioni dovrebbero tornare sulla Terra entro settembre 2023.

Concetto artistico della navicella spaziale OSIRIS-REx della NASA mentre si legge per toccare la superficie dell’asteroide Bennu. Crediti: NASA / Goddard / Università dell’Arizona

Gli scienziati potranno confrontare le loro previsioni per questi asteroidi, basate su modelli e osservazioni, con i campioni. Le origini lontane di questi asteroidi ci dicono che i campioni di Hayabusa 2 dovrebbero contenere sali e minerali ammoniacali. I campioni OSIRIS-REx sono un altro test di queste previsioni.

Una delle domande in astronomia è se il nostro Sistema Solare è rappresentativo di altri sistemi solari. I processi di formazione sono simili per tutti i sistemi? Quanto simile? Come è diverso?

“Rimane da determinare se la formazione del nostro sistema solare sia un risultato tipico, ma numerose misurazioni suggeriscono che potremmo essere in grado di contestualizzare presto la nostra storia cosmica”, ha affermato l’autore principale Hiroyuki Kurokawa.

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