Древние метеориты раскрыли мощную силу, помогавшую строить Солнечную систему

Около 4,6 миллиарда лет назад Солнечная система начала формироваться из огромного облака газа и пыли. За несколько миллионов лет это «солнечное облако» претерпело драматические изменения: оно сжалось и превратилось в диск, в центре которого в итоге зажглось Солнце, а вокруг сформировались планеты.

Долгое время считалось, что главной движущей силой этого процесса была гравитация. Однако новое исследование Массачусетского технологического института (MIT) показывает, что важную роль мог играть и магнетизм.

Учёные обнаружили следы древних магнитных полей, сохранившиеся в одном из самых старых метеоритных материалов, когда-либо идентифицированных. Исследователи изучили микроскопические зёрна внутри метеорита, найденного в Антарктиде в 2008 году. Эти зёрна, известные как кальций-алюминиевые включения (CAI), сформировались в первые 200 000 лет существования Солнечной системы и представляют собой древнейший известный материал того периода.

Их магнитные сигнатуры указывают на то, что уже на стадии солнечного облака существовало значительное магнитное поле. По оценкам исследователей, оно было сильнее современного магнитного поля Земли и могло способствовать перемещению первичного материала внутрь диска по мере формирования молодого Солнца.

«Этот переход от сферического облака к протопланетному диску — одно из самых значимых событий во всей истории Солнечной системы, — говорит Бенджамин Вайс, профессор наук о Земле и планетах имени Роберта Р. Шрока в MIT. — Долгое время считалось, что это произошло под действием гравитации, но наши измерения показывают, что магнетизм, вероятно, тоже сыграл свою роль».

Результаты опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences. Соавторами исследования от MIT, помимо Вайса, выступили первый автор Кауэ Борлина (PhD '22), Элиас Мансбах (PhD '24) и Ниланджан Чаттерджи. В числе других участников — Сюэ-Нин Бай из Университета Цинхуа, По-Йен Тунг и Ричард Харрисон из Кембриджского университета, Франсуа Тиссо из Калтеха и Кевин Маккиган из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.

Как мог работать ранний солнечный магнетизм

Магнитные поля возникают при движении электрически заряженного вещества. На самой ранней стадии формирования Солнечной системы коллапсирующее облако газа и пыли могло образовывать плазму, содержащую заряженные частицы. Когда эти частицы циркулировали по формирующемуся диску, они могли создавать и поддерживать магнитное поле.

Если магнитное поле существовало, рассуждали Вайс и его коллеги, оно должно было оставить неизгладимый отпечаток на части материала, формировавшегося внутри диска. Когда этот материал конденсировался, крошечные магнитные минералы могли зафиксировать силу окружающего поля. Если эти минералы сохранились на протяжении миллиардов лет и в итоге достигли Земли, их «остаточная намагниченность» могла бы стать доказательством того, что магнетизм существовал в молодой Солнечной системе и влиял на её развитие.

Ранее исследователи уже находили свидетельства магнетизма примерно через 2 миллиона лет после начала формирования Солнечной системы. К тому моменту, как считается, Солнце уже сформировалось, а планеты начинали собираться. Та более ранняя работа предполагала, что магнитные поля могли способствовать формированию планет.

«Сегодня никто не спорит о том, присутствует ли магнетизм при формировании планет. Но спор идёт о самом раннем этапе Солнечной системы, до формирования планет, когда есть только диск, — говорит Борлина, руководившая новым исследованием в бытность аспиранткой MIT, а ныне доцент Университета Пердью. — Именно здесь спор всё ещё продолжается, и именно здесь мы сейчас работаем».

Метеорит с необычайно чистым «архивом»

Новое исследование отодвинуло поиск ещё дальше в прошлое, сосредоточившись на том, существовал ли магнетизм в то время, когда само Солнце ещё только формировалось.

Исследователи изучили образцы метеорита DOM 08006, найденного в 2008 году в хребте Доминион — горной цепи вдоль Восточно-Антарктического ледяного щита. С момента обнаружения метеорит активно изучается из-за его необычайно примитивного состава.

DOM 08006 содержит минеральные зёрна с самых ранних стадий формирования Солнечной системы, возможно, относящиеся ко времени до полного формирования Солнца. Примечательно, что метеорит сохранил большую часть своего первоначального минерального состава, пережив миллиарды лет истории Солнечной системы.

«Другие метеориты прошли через множество различных процессов за эти 4,5 миллиарда лет, — говорит Вайс. — Они сформировались в солнечном облаке, затем попали в тела с водой, потом были разрушены, переместились в пояс астероидов и в конце концов приземлились здесь. Но DOM почему-то подвергся меньшим изменениям, чем любой другой метеорит».

Эта необычная сохранность сделала DOM 08006 особенно перспективным местом для поиска следов магнитных полей древнейшей Солнечной системы.

Если такое поле существовало, его сигнатура могла сохраниться в некоторых CAI метеорита.

«Мы знаем, что это самые древние объекты ранней Солнечной системы, которые у нас есть, — говорит Борлина. — Но CAI очень сложны и не все одинаковы, даже в пределах миллиметрового кусочка метеорита. Поэтому нам приходится тщательно определять их типы».

Магнитное поле сильнее земного

Используя небольшие фрагменты оригинального метеорита, команда выделила крошечные минеральные зёрна и идентифицировала несколько CAI, содержащих природные магнитные минералы, включая железо. Затем исследователи провели серию тестов, чтобы определить, сохранили ли эти зёрна древний магнетизм.

Они обнаружили следы магнитного поля, зафиксированные внутри минералов. По этим измерениям команда оценила, что ранняя Солнечная система обладала магнитным полем примерно от 150 до 600 микротесла. Это примерно в 3–12 раз сильнее современного магнитного поля Земли.

Результат говорит о том, что магнетизм мог играть значимую роль в управлении движением материала по протопланетному диску во время формирования Солнца.

«Мы думаем, что такие магнитные поля помогали перемещать газ из протопланетного диска к центральной звезде — Солнцу, — говорит Борлина. — Гравитация тоже играет роль. Но мы теперь показываем, что если вы хотите полностью понять, как сформировались Солнце и планеты, вам следует включить магнитные поля в список ингредиентов, которые их создали».

Это исследование частично поддерживалось NASA.

Источники:

Материалы предоставлены Массачусетским технологическим институтом.

Cauê S. Borlina, Benjamin P. Weiss, Xue-Ning Bai, Po-Yen Tung, Richard J. Harrison, Elias N. Mansbach, Nilanjan Chatterjee, François L. H. Tissot, Kevin D. McKeegan. Paleomagnetic evidence for a nebular magnetic field from calcium-aluminum-rich inclusions. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2026; 123 (36) DOI: 10.1073/PNAS.2521660123