Реакция между кислородом и монооксидом кремния, которая привела к появлению первого твёрдого материала в газопылевом диске, оказалась простым примером принципа физической симметрии.
Сорок лет назад в каменном метеорите, который взорвался над мексиканской деревней Пуэблито-де-Альенде в 1969 году, 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, чтопроисходило на заре существования нашей системы.
Именно это и сделали сотрудники Калифорнийского университета в Сан-Диего (США): они 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, эта 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 Тименспродемонстрировал подобное независимое от массы фракционирование изотопов кислорода при образовании озона. А вот механизм аналогичного процесса при формировании твёрдой породы до сих пор показать экспериментально не удавалось.
Поэтому для объяснения аномалии было выдвинуто несколько гипотез. Одни предполагали, что в эпоху формирования самого 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, 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 маленькая чёрненькая крупица твёрдого моноооксида кремния, испарявшаяся 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 простой пример физической симметрии.
Результаты исследования опубликованы в журнале Science.
Немає коментарів:
Дописати коментар
Примітка: лише член цього блогу може опублікувати коментар.