La composition des noyaux d'astéroïdes au début du système solaire

Distribution spatiale relative des précurseurs des corps parents CC-fer à <1 Ma après la formation de CAI. Les précurseurs de type chondrite carboné des corps parents CC-fer sont désignés par le nom du groupe avec un indice pré. Les positions des précurseurs indiquent leur distance héliocentrique relative dans le disque suggérée par les résultats de notre étude. Les résultats de notre étude suggèrent que les teneurs en S et les abondances de CAI des précurseurs augmentent et diminuent, respectivement, à mesure que la distance héliocentrique augmente. Crédit :Progrès scientifiques (2022). DOI :10.1126/sciadv.abo5781

Les météorites de fer du système solaire sont composées de noyaux parents appartenant aux premiers corps crédités de l'environnement. Les noyaux sont formés dans deux réservoirs isotopiquement distincts comprenant des types non carbonés et carbonés dans le système solaire interne et externe. Dans un nouveau rapport maintenant publié dans Science Advances , Bidong Zhang et une équipe de scientifiques en sciences de la Terre, des planètes et de l'espace, à l'Université de Californie à Los Angeles, et au Laboratoire de physique appliquée de l'Université Johns Hopkins, ont mesuré la composition élémentaire des groupes carbonés-fer en utilisant la modélisation de la cristallisation fractionnée pour reconstruire la masse compositions et processus de cristallisation des noyaux d'astéroïdes parents précédents.

Les résultats ont montré une teneur en soufre plus faible et une teneur en phosphore plus élevée dans les noyaux de fer carbonés par rapport aux noyaux non carbonés. L'équipe a lié l'abondance élémentaire diversifiée parmi les noyaux carbonés à la distribution des inclusions riches en calcium et aluminium dans le disque protoplanétaire, qui peuvent avoir été transportées vers le système solaire externe et distribuées de manière hétérogène au cours du premier million d'années de l'histoire du système solaire.

Comprendre la composition des astéroïdes du système solaire primitif

Les astrophysiciens classent la plupart des météorites en deux catégories; les types carbonés (en abrégé CC) et non carbonés (en abrégé NC) qui reposent sur des compositions d'azote, d'oxygène, de titane, de nickel, de tungstène, de molybdène et de ruthénium. La dichotomie isotopique est révélée par des anomalies nucléosynthétiques qui montrent comment les météorites carbonées sont enrichies en nucléides de processus de capture rapide de neutrons, par rapport aux météorites non carbonées. La majorité des météorites semblent provenir soit du système solaire interne (non carboné), soit du système solaire externe (carboné). Les chercheurs supposent que les deux réservoirs ont probablement été séparés par la formation de Jupiter il y a plus d'un million d'années, après la formation d'inclusions riches en calcium et aluminium (CAI).

Les météorites de fer peuvent être classées en caractéristiques magmatiques et non magmatiques, où la première a été formée par cristallisation fractionnée dans des noyaux métalliques en fusion bien mélangés au sein d'astéroïdes différenciés. Les signatures chimiques et les histoires évolutives planétaires des noyaux d'astéroïdes peuvent être reconstruites par la modélisation de la cristallisation fractionnée. Les modèles de cristallisation existants pour les groupes de fer CC et NC étaient principalement basés sur des éléments de ruthénium, de germanium, de palladium, d'iridium, d'osmium ou d'or.

Dans ce travail, Zhang et ses collègues ont utilisé de nouvelles données d'analyse d'activation neutronique de haute précision complétées par des données de spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif. Ils ont présenté les résultats pour 19 éléments et estimé la composition des noyaux de fer carboné et des noyaux non carbonés, afin de comprendre les processus responsables du fractionnement des éléments sidérophiles entre les noyaux et de reconstruire les processus de cristallisation des noyaux de fer CC.

Concentrations de S en vrac tracées par rapport aux concentrations de Re normalisées au Ni et au CI. Le rhénium est utilisé comme élément représentatif des HSE. Les données des groupes de fer NC IC, IIAB, IIIAB et IVA sont en symboles rouges. Les groupes CC-fer sont des symboles bleus. La ligne continue est l'ajustement de vraisemblance maximale avec une enveloppe d'erreur de 1σ pour les groupes CC-fer. Composition des chondrites CI de la littérature. MSWD, écart quadratique moyen pondéré. Crédit :Progrès scientifiques (2022). DOI :10.1126/sciadv.abo5781

Approche de cristallisation fractionnée

Les chercheurs peuvent généralement modéliser les variations des concentrations d'éléments sidérophiles d'un groupe de météorites ferreuses magmatiques via une cristallisation fractionnée. Par exemple, l'augmentation des concentrations de soufre et de phosphore dans les métaux en fusion peut avoir un impact sur le comportement des sidérophiles. De plus, bien que les concentrations de phosphore aient été mesurées avec précision dans la plupart des météorites ferreuses, la présence de soufre ne peut pas être directement déterminée. Zhang et l'équipe ont généré un nouveau modèle pour déterminer une composition globale initiale avec du soufre et du phosphore pour s'adapter à la plupart des 18 tendances interéléments d'intérêt. La stratégie a bien fonctionné pour une gamme d'éléments et a conduit au développement de plusieurs classifications élémentaires dans le travail.

Compositions en vrac des corps parents de la météorite CC-fer. (A) Compositions en vrac normalisées aux chondrites CI. (B) Compositions en vrac normalisées aux chondrites Ni et CI. Les teneurs optimales en S des groupes IVB et IID sont proches de 0, et une valeur de 0,01 % en poids est utilisée ici pour les deux groupes pour montrer la position approximative de S. Composition des chondrites CI de la littérature. Les éléments sont rangés par ordre décroissant de leur T50. Crédit :Progrès scientifiques (2022). DOI :10.1126/sciadv.abo5781

Éléments hautement sidérophiles (HSE) et pépites métalliques réfractaires (RME)

Les chercheurs ont montré comment les concentrations globales élevées d'éléments hautement sidérophiles (HSE) dans un noyau étaient soit dues à l'état redox du corps parent, soit à un mélange de différentes abondances de métaux réfractaires à haute température provenant de la nébuleuse solaire. Avec les chondrites carbonées, les chercheurs ont observé que les éléments hautement sidérophiles s'enrichissaient en inclusions riches en calcium-aluminium, par rapport à d'autres composants riches en silicate et pépites de métal réfractaire, qui contribuaient à former les hôtes primaires des éléments hautement sidérophiles.

Les travaux ont exploré plus en détail les éléments sidérophiles et l'abondance de soufre/phosphore pour soutenir l'idée que la teneur en soufre peut avoir une influence significative sur la température de différenciation des corps parents de la météorite ferreuse. Ils ont examiné le fractionnement des sidérophiles volatils et modérément volatils ainsi que les processus de cristallisation pour comprendre l'origine des noyaux de fer CC et NCC. L'équipe a estimé le modèle d'évolution du disque protoplanétaire solaire et les abondances HSE des noyaux de fer carboné à l'aide de modèles de cristallisation fractionnée pour suggérer la formation d'astéroïdes enrichis en HSE plus près de Jupiter dans la bosse de pression, tandis que les astéroïdes HSE-chondritiques se sont formés plus loin de Jupiter.

Modélisation de la cristallisation des éléments sidérophiles du groupe IIC. Modèle de cristallisation fractionnaire (6 % en poids de S et 2,2 % en poids de P) du Co (A), du Ga (B), de l'Ir (C) et de l'Au (D) par rapport à l'As dans le groupe IIC. Les points noirs sont les données NAA. Les lignes rouges, les lignes bleues et les lignes pointillées vertes indiquent le solide dérivé de la cristallisation fractionnée simple (solide SFC), le solide de la fonte piégée (solide TM) et le liquide (liquide), respectivement. Les croix violettes sont les lignes de mélange (ligne de mélange) entre la cristallisation fractionnée et les solides fondus piégés à un incrément de 5 %. Les cercles marqués sur les lignes rouges représentent la séquence de cristallisation (crist.%). Crédit :Progrès scientifiques (2022). DOI :10.1126/sciadv.abo5781

Perspectives :composition des astéroïdes des premiers millions d'années du système solaire

De cette façon, Bidong Zhang et ses collègues ont décrit les compositions en vrac et les processus de cristallisation qui se sont produits au cours des premiers millions d'années de l'histoire du système solaire pour créer des noyaux de météorite de fer de type carboné, qui ont conduit à l'évolution des fontes métalliques et des noyaux d'astéroïdes. Ils ont effectué une modélisation de la cristallisation fractionnée pour reconstruire la composition globale et les processus de cristallisation des tendances inter-éléments à travers les groupes de météorites ferreuses de type carboné.

Les résultats ont montré la composition du groupe de fer carboné (CC) et des groupes de fer non carboné (NC) pour démontrer leur contribution à la cristallisation et à l'évolution de la composition. Alors que les noyaux de fer CC cristallisaient dans des environnements oxydés par rapport aux noyaux NC, ils avaient des teneurs en soufre plus faibles, plus de phosphore, de nickel et des augmentations d'éléments hautement sidérophiles dans leurs masses mères, par rapport aux noyaux de fer NC. + Explorer plus loin