Genç Güneş Sistemi buzla doluydu, ilk gökcisimleri neredeyse buzsuz

İki ayrı hammadde: kondrül ve matris

Göktaşlarının en yaygın türü olan kondritler, hiç erimemiş, ilkel kaya parçalarıdır; yani gezegenlerin yapıldığı hammaddenin dokunulmamış örnekleri. Bir kondriti kesip mikroskop altına koyduğunuzda iki farklı malzeme görürsünüz.

Birincisi kondrüller: milimetre ölçeğinde, yuvarlak, camsı boncuklar. Bunlar bir noktada çok yüksek sıcaklıklara çıkıp eridikten sonra hızla soğumuş damlacıklar. Bu ısıl geçmiş yüzünden kuru ve uçucu maddeden yoksunlar; su da, organik moleküller de o sıcaklıkta yerinde durmaz.

İkincisi matris: boncukların arasını dolduran ince taneli, soğuk toz. Su buzunu, organik bileşikleri ve kolay buharlaşan elementleri taşıyan kısım burasıdır. Kabaca söylersek kondrül fırından çıkmış, matris hiç fırına girmemiş malzemedir.

Grewal'in ölçtüğü şey bu iki malzemenin karışım oranı. Yale'in açıklamasında verdiği rakamla, dış Güneş Sistemi'nin en erken cisimleri "yüzde 83 ila 92 oranında kondrülden yapılmıştı, sonraki cisimlere hâkim olan buzlu, uçucu zengini tozdan ise çok az içeriyordu." Bu oran, bugün elimizde bulunan kondrit sınıflarının hepsinin altında.

Erimiş bir cismin tarifi nasıl okunur?

Burada ciddi bir yöntem sorunu var. Ekibin incelediği örnekler demir göktaşları; yani parçalandıklarında geriye demir-nikel çekirdekleri kalmış, tamamen erimiş ana cisimlerin kalıntıları. Erimenin nedeni alüminyum-26 adlı kısa ömürlü radyoaktif elementin saldığı ısı. Bir cisim baştan sona eriyince kondrül ve matris dokusu ortadan kalkar. Yemeğin içine hangi malzemeden ne kadar girdiğini, yemek piştikten sonra bakarak anlamaya benziyor.

Ekibin çözümü, erimeye dayanıklı iki kimyasal iz sürücü kullanmak oldu:

• Toplam kükürt miktarı. Kükürt orta derecede uçucu bir element ve ağırlıklı olarak matriste yoğunlaşır. Çekirdekteki kükürt bütçesi, ana cisme ne kadar matris girdiğinin dolaylı bir ölçüsü.
• Demirin yükseltgenme durumu. Demir atomunun kaç elektron verdiği, cismin ne kadar su buzu ve yükseltgenmiş silikat aldığına bağlı. Su demiri yükseltger, kuru malzeme yükseltgemez.

Bu iki ölçütün birbiriyle kimyasal bir bağı yok; kükürt bolluğu ile demirin değerliği farklı süreçler tarafından belirlenir. Grewal'in phys.org'a aktardığı üzere, "her iki iz sürücü de bağımsız biçimde aynı şeyi söylüyor: bu erken gezegenimsiler dikkat çekici ölçüde matris fakiriydi." Birbirinden bağımsız iki ölçümün aynı yere çıkması, bulgunun asıl gücü.

Kar sınırı ve aerodinamik ayıklama

Gezegen biliminde kar sınırı (snow line), genç yıldızın çevresindeki diskte suyun buhar halinden buz haline geçtiği mesafedir. Bu sınırın içinde su gaz, dışında katı buzdur. Dış Güneş Sistemi kar sınırının epey ötesinde olduğuna göre, oradaki malzemenin buz açısından zengin olması beklenir. Ölçümün şaşırtıcılığı tam da bu: disk buzluydu, ama ilk bir araya gelen cisimler değildi.

Ekibin önerdiği açıklama aerodinamik ayıklama. Gezegen öncesi diskte gaz, katı tanelere sürtünme uygular ve bu sürtünmenin etkisi tanenin boyutuna göre değişir. Milimetrelik kondrüller, mikron ölçeğindeki toz tanelerine kıyasla gaza farklı tepki verir. Tanelerin yerel olarak yoğunlaşıp kendi ağırlıklarıyla çöktüğü anda, yani gezegenimsilerin doğduğu anda, sistem bir tür boy elemesi yapıyor: kondrülleri içeri alıyor, ince tozu dışarıda bırakıyor. Gezegenimsi, kilometre ölçeğine ulaşmış, gezegenlerin tohumu sayılan cisimlere verilen ad.

Daha önce bu elemenin kalsiyum-alüminyum zengini kapanımlardan (CAI, Güneş Sistemi'nin bilinen en eski katıları, zaman sayacının sıfır noktası) 2-4 milyon yıl sonra oluşan cisimlerde işlediği biliniyordu. Yeni çalışmanın iddiası, sürecin ilk 1-2 milyon yılda, yani en baştan beri işlediği.

Tablodaki değerler Yale Üniversitesi'nin 18 Eylül tarihli duyurusu ile makalenin özetinden derlendi.

Bu bir ölçüm mü, model mi?

İkisi birden, ama farklı katmanlarda. Ayrımı net koymakta fayda var.

Ölçüm olan kısım: demir göktaşlarındaki kükürt bolluğu ve demirin yükseltgenme durumu. Bunlar laboratuvarda örnek üzerinde yapılan jeokimyasal ölçümler. Çalışmanın buradaki katkısı, dış Güneş Sistemi kökenli demir göktaşları için bu iki değerin birlikte ve tutarlı biçimde ortaya konması.

Modelleme olan kısım: ölçülen kimyadan "ana cisim yüzde 8-17 matristen oluşuyordu" sonucuna geçiş. Bu geçiş, kükürdün ve demirin erime, çekirdek ayrışması ve gaz kaybı sırasında nasıl davrandığına dair varsayımlara dayanır. Aerodinamik ayıklama açıklaması da bir disk modeli; ölçümün kendisi değil, ölçüme getirilen en uygun yorum.

Yani "ilk gökcisimleri matris fakiriydi" güçlü, iki bağımsız ölçütle desteklenen bir çıkarım. "Çünkü disk taneleri boyuna göre eledi" ise sınanmayı bekleyen bir mekanizma önerisi.

Bulgunun sınırı

En açık kısıt, phys.org'un haberinde de belirtildiği gibi, o erken dönemden korunmuş, hiç erimemiş bir cismin elimizde olmaması. Doğrudan karşılaştırabileceğimiz bir örnek yok; oranlar erimiş çekirdeklerden geriye doğru hesaplandı. İkinci kısıt örneklem: demir göktaşları, ana cismi parçalanıp iç kısmı açığa çıkmış gezegenimsilerden gelir. Bu, tüm erken cisimleri değil, o koşulu sağlayanları temsil eder.

Üçüncüsü zaman ölçeğinin kendisi. "CAI'den sonra 1 milyon yıl" gibi ifadeler radyoaktif saatlerin ayarlanmasına bağlıdır ve bu ayarlama hâlâ tartışılan bir alan. Birkaç yüz bin yıllık kaymalar, hikâyenin sırasını değiştirebilir.

Sırada ne var?

Asıl açık soru şu: eğer Güneş Sistemi'nin ilk katı cisimleri neredeyse kuru doğduysa, Dünya'nın okyanuslarını dolduran malzeme hangi kuşağa ait ve buraya hangi yolla ulaştı? Gecikmiş bir buz teslimatı fikri, Jüpiter'in büyümesinin ve dev gezegenlerin yer değiştirmesinin zamanlamasıyla nasıl örtüşüyor?

Bunu sınamanın en doğrudan yolu, erimemiş ilkel malzemeyi kaynağından getirmek. OSIRIS-REx'in Bennu'dan, Hayabusa2'nin Ryugu'dan döndürdüğü örnekler zaten laboratuvarlarda; gelecekteki asteroit ve kuyrukluyıldız örneklerinin kükürt ve demir kimyası da aynı çerçevede okunabilir. Grewal'in iz sürücüleri o örneklerde de aynı hikâyeyi anlatacak mı, göreceğiz.

Fotoğraf: Solar Anamnesis, CC0, Wikimedia Commons