Chondrules mungkin terbentuk dari tumbukan tekanan tinggi di tata surya awal.
Seorang ilmuwan Universitas Chicago yang biasanya tenang telah mengejutkan banyak rekannya dengan solusi radikal terhadap misteri 135 tahun dalam kosmokimia. "Aku orang yang cukup sadar. Orang-orang tidak tahu apa yang harus dipikirkan tiba-tiba, "kata Lawrence Grossman, profesor ilmu geofisika.
Yang menjadi masalah adalah berapa banyak bola-bola kecil yang terbuat dari kaca telah tertanam di dalam spesimen kelas meteorit terbesar — chondrites. Ahli mineral Inggris Henry Sorby pertama kali menggambarkan spherules ini, yang disebut chondrules, pada tahun 1877. Sorby menyarankan bahwa mereka mungkin merupakan "tetesan hujan yang berapi-api" yang entah bagaimana terkondensasi keluar dari awan gas dan debu yang membentuk tata surya 4,5 miliar tahun yang lalu.
Para peneliti terus menganggap chondrules sebagai tetesan cairan yang telah melayang di ruang angkasa sebelum menjadi cepat dingin, tetapi bagaimana cairan itu terbentuk? "Ada banyak data yang membingungkan orang," kata Grossman.
Ini adalah pertunjukan artis tentang bintang seperti matahari karena mungkin terlihat pada usia satu juta tahun. Sebagai ahli kosmokimia, Lawrence Grossman dari Universitas Chicago merekonstruksi urutan mineral yang terkondensasi dari nebula matahari, awan gas purba yang akhirnya membentuk matahari dan planet-planet. Ilustrasi oleh NASA / JPL-Caltech / T. Pyle, SSC
Penelitian Grossman merekonstruksi urutan mineral yang terkondensasi dari nebula matahari, awan gas primordial yang akhirnya membentuk matahari dan planet-planet. Dia telah menyimpulkan bahwa proses kondensasi tidak dapat menjelaskan chondrules. Teori favoritnya melibatkan tabrakan antara planetesimal, benda yang secara gravitasi bergabung pada awal sejarah tata surya. "Itulah yang menurut rekan-rekan saya sangat mengejutkan, karena mereka menganggap ide itu sangat 'kooky,'" katanya.
Kosmokimiawan tahu pasti bahwa banyak jenis chondrules, dan mungkin semuanya, memiliki prekursor yang kuat. "Idenya adalah bahwa chondrules dibentuk dengan melelehkan padatan yang sudah ada sebelumnya," kata Grossman.
Satu masalah menyangkut proses yang diperlukan untuk mendapatkan suhu tinggi pasca-kondensasi yang diperlukan untuk memanaskan silikat padat yang sebelumnya terkondensasi menjadi tetesan chondrule. Berbagai teori asal yang mencengangkan tetapi tidak berdasar telah muncul. Mungkin tabrakan antara partikel debu di tata surya yang berkembang memanaskan dan melelehkan butiran-butiran itu menjadi tetesan. Atau mungkin mereka terbentuk dalam sambaran petir kosmik, atau terkondensasi dalam atmosfer Jupiter yang baru terbentuk.
Masalah lain adalah chondrules mengandung besi oksida. Dalam nebula matahari, silikat seperti olivin terkondensasi dari gas dan silikon pada suhu yang sangat tinggi. Hanya ketika besi teroksidasi, barulah ia dapat memasuki struktur kristal magnesium silikat. Besi teroksidasi terbentuk pada suhu yang sangat rendah di nebula matahari, namun, hanya setelah silikat seperti olivin telah terkondensasi pada suhu 1.000 derajat lebih tinggi.
Pada suhu di mana zat besi teroksidasi dalam nebula matahari, ia berdifusi terlalu lambat ke dalam magnesium silikat yang terbentuk sebelumnya, seperti olivin, untuk memberikan konsentrasi besi yang terlihat dalam olivin chondrules. Lalu, proses apa yang bisa menghasilkan chondrules yang dibentuk dengan melelehkan padatan yang sudah ada sebelumnya dan mengandung olivin yang mengandung besi oksida?
“Dampak pada planet esimal es dapat menghasilkan gumpalan uap yang kaya akan air yang dipanaskan dengan cepat, bertekanan tinggi, mengandung debu dan tetesan konsentrasi tinggi, lingkungan yang mendukung pembentukan chondrules,” kata Grossman. Grossman dan rekan penulis UChicago, ilmuwan riset Alexei Fedkin, menerbitkan temuan mereka dalam edisi Juli Geochimica et Cosmochimica Acta.
Grossman dan Fedkin mengerjakan perhitungan mineralogis, menindaklanjuti pekerjaan sebelumnya yang dilakukan bekerja sama dengan Fred Ciesla, associate professor dalam ilmu geofisika, dan Steven Simon, ilmuwan senior dalam ilmu geofisika. Untuk memverifikasi fisika, Grossman berkolaborasi dengan Jay Melosh, Profesor Ilmu Bumi & Atmosfer Universitas di Purdue, yang akan menjalankan simulasi komputer tambahan untuk melihat apakah ia dapat menciptakan kembali kondisi pembentukan chondrule setelah terjadinya tabrakan planetesimal.
"Kurasa kita bisa melakukannya," kata Melosh.
Keberatan lama
Grossman dan Melosh berpengalaman dalam keberatan yang telah lama ada tentang asal usul dampak untuk chondrules. "Saya sendiri sudah menggunakan banyak argumen itu," kata Melosh.
Grossman mengevaluasi kembali teori tersebut setelah Conel Alexander di Carnegie Institution of Washington dan tiga rekannya memberikan potongan puzzle yang hilang. Mereka menemukan sejumput kecil natrium — komponen garam meja biasa — di inti kristal olivin yang tertanam di dalam chondrules.
Ketika olivin mengkristal dari cairan komposisi chondrule pada suhu sekitar 2.000 derajat Kelvin (3.140 derajat Fahrenheit), sebagian besar natrium tetap dalam cairan jika tidak menguap sepenuhnya. Namun terlepas dari volatilitas natrium yang ekstrem, cukup banyak yang tetap dalam cairan untuk dicatat dalam olivin, konsekuensi dari penekanan penguapan yang diberikan oleh tekanan tinggi atau konsentrasi debu tinggi. Menurut Alexander dan rekan-rekannya, tidak lebih dari 10 persen natrium yang pernah menguap dari chondrules yang mengeras.
Chondrules terlihat sebagai objek bulat dalam gambar bagian tipis yang dipoles yang terbuat dari meteorit Bishunpur dari India. Butir gelap adalah kristal olivin miskin-besi. Ini adalah gambar elektron berserat balik yang diambil dengan mikroskop elektron pemindaian. Foto oleh Steven Simon
Grossman dan rekan-rekannya telah menghitung kondisi yang diperlukan untuk mencegah tingkat penguapan yang lebih besar. Mereka merencanakan perhitungan mereka dalam hal tekanan total dan pengayaan debu dalam nebula surya gas dan debu dari mana beberapa komponen kondroitit terbentuk. "Anda tidak bisa melakukannya di nebula matahari," Grossman menjelaskan. Itulah yang membawanya ke dampak planetesimal. “Di situlah Anda mendapatkan pengayaan debu tinggi. Di situlah Anda dapat menghasilkan tekanan tinggi. "
Ketika suhu nebula matahari mencapai 1.800 derajat Kelvin (2.780 derajat Fahrenheit), terlalu panas untuk bahan padat apa pun untuk mengembun. Pada saat awan telah mendingin hingga 400 derajat Kelvin (260 derajat Fahrenheit), namun, sebagian besar telah mengembun menjadi partikel padat. Grossman telah mengabdikan sebagian besar karirnya untuk mengidentifikasi persentase kecil zat yang terwujud selama 200 derajat pertama pendinginan: oksida kalsium, aluminium dan titanium, bersama dengan silikat. Perhitungannya memprediksi kondensasi mineral yang sama yang ditemukan di meteorit.
Selama dekade terakhir, Grossman dan rekan-rekannya telah menulis banyak makalah yang mengeksplorasi berbagai skenario untuk menstabilkan oksida besi cukup sehingga akan masuk ke silikat ketika terkondensasi pada suhu tinggi, tidak ada yang terbukti layak sebagai penjelasan untuk chondrules. "Kami sudah melakukan semua yang dapat Anda lakukan," kata Grossman.
Ini termasuk menambahkan ratusan atau bahkan ribuan kali konsentrasi air dan debu yang mereka yakini pernah ada di tata surya purba. "Ini curang," aku Grossman. Lagipula itu tidak berhasil.
Sebagai gantinya, mereka menambahkan air dan debu ekstra ke sistem dan meningkatkan tekanannya untuk menguji gagasan baru bahwa gelombang kejut mungkin membentuk chondrules. Jika gelombang kejut dari beberapa sumber yang tidak diketahui telah melewati nebula matahari, mereka akan dengan cepat memadatkan dan memanaskan zat padat di jalurnya, membentuk chondrules setelah partikel yang meleleh mendingin. Simulasi Ciesla menunjukkan bahwa gelombang kejut dapat menghasilkan tetesan cairan silikat jika ia meningkatkan tekanan dan jumlah debu dan air secara abnormal jika jumlahnya tidak terlalu tinggi, tetapi tetesan akan berbeda dari chondrules yang sebenarnya ditemukan di meteorit saat ini.
Pertandingan Mendorong Kosmik
Mereka berbeda dalam bahwa chondrules aktual tidak mengandung anomali isotop, sedangkan chondrules gelombang kejut disimulasikan lakukan. Isotop adalah atom dari unsur yang sama yang memiliki massa berbeda satu sama lain. Penguapan atom unsur tertentu dari tetesan yang melayang melalui nebula matahari menyebabkan produksi anomali isotop, yang merupakan penyimpangan dari proporsi relatif normal dari isotop unsur. Ini adalah pencocokan kosmik antara gas padat dan cairan panas. Jika jumlah atom jenis tertentu yang didorong keluar dari tetesan panas sama dengan jumlah atom yang didorong dari gas di sekitarnya, penguapan tidak akan terjadi. Ini mencegah anomali isotop terbentuk.
Olivin yang ditemukan dalam chondrules menimbulkan masalah. Jika gelombang kejut membentuk chondrules, maka komposisi isotop olivin akan dikategorikan secara konsentris, seperti cincin pohon. Saat tetesan mendingin, olivin mengkristal dengan komposisi isotop apa pun yang ada dalam cairan, mulai dari pusat, kemudian bergerak keluar dalam cincin konsentris.Tetapi belum ada yang menemukan kristal olivin yang dikategorikan isotopically di chondrules.
Chondrules yang tampak realistis hanya akan dihasilkan jika evaporasi ditekan cukup untuk menghilangkan anomali isotop. Namun, itu akan membutuhkan konsentrasi tekanan dan debu yang lebih tinggi yang melampaui jangkauan simulasi gelombang kejut Ciesla.
Memberikan bantuan adalah penemuan beberapa tahun yang lalu bahwa chondrules satu atau dua juta tahun lebih muda daripada inklusi yang kaya kalsium-aluminium dalam meteorit. Inklusi ini adalah kondensat yang didikte oleh perhitungan kosmokimia di awan nebular matahari. Perbedaan usia itu memberikan cukup waktu setelah kondensasi bagi planetesimal untuk terbentuk dan mulai bertabrakan sebelum chondrules terbentuk, yang kemudian menjadi bagian dari skenario radikal Fedkin dan Grossman.
Mereka sekarang mengatakan bahwa planetesimal yang terdiri dari logam nikel-besi, magnesium silikat dan es air terkondensasi dari nebula matahari, jauh di depan formasi chondrule. Elemen radioaktif yang membusuk di dalam planetesimal memberikan panas yang cukup untuk melelehkan es.
Air meresap melalui planetesimal, berinteraksi dengan logam dan mengoksidasi besi. Dengan pemanasan lebih lanjut, baik sebelum atau selama tumbukan planetesimal, magnesium silikat terbentuk kembali, memasukkan oksida besi dalam proses. Ketika planetesimal kemudian bertabrakan satu sama lain, menghasilkan tekanan tinggi yang tidak normal, tetesan cairan yang mengandung oksida besi disemprotkan keluar.
"Dari situlah besi oksida pertama Anda berasal, bukan dari apa yang telah saya pelajari sepanjang karier saya," kata Grossman. Dia dan rekan-rekannya kini telah merekonstruksi resep untuk memproduksi chondrules. Mereka datang dalam dua "rasa," tergantung pada tekanan dan komposisi debu yang timbul dari tabrakan.
"Aku bisa pensiun sekarang," gurunya.
Melalui Universitas Chicago