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Polvere interstellare di 7 miliardi di anni nel meteorite Murchison

In un meteorite caduto cinquant’anni fa in Australia, gli scienziati hanno scoperto polvere di stelle formatasi da 5 a 7 miliardi di anni fa.

«Questo è uno degli studi più interessanti a cui ho lavorato», afferma Philipp Heck, curatore del Field Museum, professore associato presso l’Università di Chicago e primo autore di un articolo pubblicato sui Proceedings of the National Academy of Sciences. «Sono i materiali solidi più antichi mai trovati sulla Terra e ci raccontano come si sono formate le stelle nella nostra galassia».

I materiali esaminati da Heck e dai suoi colleghi sono chiamati grani presolari, minerali formati prima della nascita del Sole. «Sono campioni di stelle solidi, vera polvere di stelle», afferma Heck. Questi frammenti di polvere di stelle sono stati intrappolati nei meteoriti, e lì sono rimasti invariati per miliardi di anni, diventando vere e proprie capsule del tempo di un periodo precedente la formazione del Sistema solare.

Ma i grani presolari sono difficili da trovare. Sono rari, trovati solo in circa il cinque percento dei meteoriti caduti sulla Terra, e sono minuscoli: cento dei più grandi, uno accanto all’altro, entrerebbero nello spazio occupato da una riga di questa frase. Il Field Museum ha la porzione più grande del meteorite Murchison, un prezioso scrigno di grani presolari caduto in Australia nel 1969, dal quale sono stati isolati i grani presolari di questo studio, circa 30 anni fa, all’università di Chicago.

particella interstellare
Microfotografia elettronica a scansione di un grano presolare datato al carburo di silicio. La dimensione più lunga del grano è pari a 8 micrometri. Crediti: Janaína N. Ávila

«Siamo partiti con la frantumazione dei frammenti del meteorite in una polvere», spiega Jennika Greer, coautrice dello studio. «Una volta che tutti i pezzi sono stati separati, abbiamo ottenuto una specie di pasta con un odore pungente caratteristico, di burro di arachidi marcio». Questa “pasta di meteorite-burro di arachidi marcio” è stata quindi sciolta in acido, fino a quando sono rimasti solo i grani presolari. «È un po’ come bruciare il pagliaio per trovare l’ago», scherza Heck.

Una volta isolati i grani presolari, i ricercatori hanno capito da quali tipi di stelle provenivano e quanti anni avevano. «Abbiamo utilizzato i dati delle età ottenute con metodi di esposizione, che sostanzialmente misurano l’esposizione ai raggi cosmici, particelle di alta energia che si diffondono nella nostra galassia e penetrano nella materia solida», spiega Heck. «Alcuni di questi raggi cosmici interagiscono con la materia e formano nuovi elementi. E più la materia rimane esposta, più si formano quegli elementi».

«Potremmo fare un’analogia con un secchio vuoto lasciato all’aperto, durante un temporale. Supponendo che la pioggia sia costante, la quantità di acqua che si accumula nel secchio ci dice per quanto tempo il secchio è stato esposto alla pioggia», aggiunge. Misurando quanti di questi nuovi elementi prodotti dai raggi cosmici sono presenti in un grano presolare, possiamo dire per quanto tempo è stato esposto ai raggi cosmici, e quindi quanti anni ha.

I ricercatori hanno così appreso che alcuni dei grani presolari del loro campione erano i più antichi finora scoperti: la maggior parte dei grani doveva avere tra 4.6 e 4.9 miliardi di anni, e alcuni avevano persino più di 5.5 miliardi di anni. Come termine di paragone, il nostro Sole ha 4.6 miliardi di anni e la Terra ne ha circa 4.5 miliardi.

Ma l’età dei grani presolari non ha rappresentato la fine di questo studio. Poiché i grani presolari si formano quando la stella muore, possono raccontarci la storia delle stelle. Ciò che emerso dallo studio è che circa 7 miliardi di anni fa si siano formate una marea di nuove stelle: una sorta di boom di nascite astrali.

«Abbiamo più grani di quanti ci aspettavamo», afferma Heck. «La nostra ipotesi è che la maggior parte di quei grani, che hanno dai 4.9 ai 4.6 miliardi di anni, si siano formati in un episodio di formazione stellare particolarmente intenso. Ci dev’essere stato un tempo, prima dell’inizio del Sistema solare, nel quale si formarono più stelle del normale».

Questa scoperta rappresenta un’importante cartuccia nel dibattito tra scienziati sul fatto che nuove stelle si formino o meno a un ritmo costante. «Alcuni scienziati pensano che il tasso di formazione stellare nella Galassia sia costante», dice Heck. «Ma grazie a questi grani provenienti da meteoriti, ora abbiamo le prove dirette che sette miliardi di anni fa c’è stato un periodo nel quale la formazione stellare nella nostra Galassia è stata più intensa».

Heck fa notare che questo non è l’unico risultato inaspettato trovato dal suo team. Esaminando il modo in cui i minerali nei grani interagivano con i raggi cosmici, i ricercatori hanno anche appreso che i grani presolari spesso fluttuano nello spazio agglomerati in grandi gruppi, come granola. «Nessuno pensava che ciò fosse possibile, su quella scala», afferma Heck. «Con questo studio», continua il professore, «abbiamo determinato direttamente il tempo di vita della polvere di stelle. Ci auguriamo che queste stime vengano recepite e impiegate come input nei modelli dell’intero ciclo di vita della Galassia».

Sono ancora molte le domande a cui rispondere per quanto riguarda i grani presolari e gli inizi del Sistema solare. «La polvere di stelle è il materiale più antico che raggiunge la Terra e da essa possiamo conoscere le nostre stelle progenitrici, l’origine del carbonio nei nostri corpi, l’origine dell’ossigeno che respiramo. Con la polvere di stelle, possiamo risalire indietro nel tempo, prima della nascita del Sole».

Nel 1980, l’astronomo e divulgatore scientifico Carl Sagan disse: «Siamo fatti della stessa materia delle stelle. Siamo un mezzo per il cosmo di conoscere sé stesso». Ora ne abbiamo le prove.

I grani di polvere (approfondimento)

La polvere interstellare è un componente importante della nostra galassia. Influisce sulla formazione stellare e sull’evoluzione termica e chimica della galassia. Sebbene la polvere presenti solo l’1% della massa nel mezzo interstellare (ISM), trasporta una grande parte degli elementi più pesanti di lui, compresi gli elementi che formano pianeti terrestri e sono essenziali per la vita. Pertanto, la polvere interstellare è un ingrediente chiave delle stelle e dei sistemi planetari abitabili, rendendo desiderabile una maggiore conoscenza della sua composizione e del ciclo di vita. 

Le informazioni sulla composizione, sulla struttura e sulla dimensione della polvere interstellare possono essere ottenute mediante osservazioni spettroscopiche astronomiche, ma le stime sulla durata della polvere si basano principalmente su sofisticati modelli teorici. Questi modelli, tuttavia, si concentrano sui piccoli granelli di polvere più comuni e si basano su ipotesi con grandi incertezze. Queste incertezze riguardano principalmente il tempo di permanenza della polvere in varie regioni dell’ISM, che presentano diversi tassi di distruzione della polvere attraverso sputtering e collisioni nelle onde d’urto della supernova

La maggior parte di questi modelli prevede attualmente una durata media dei grani interstellari dell’ordine di 100 Ma. Tuttavia, modelli più recenti e alcuni modelli per cereali più grandi prevedono tempi di sopravvivenza molto più lunghi nell’ISM fino a miliardi di anni.

polvere interstellare
Morfologia presolare del SiC. Immagini al microscopio elettronico a scansione (elettroni secondari) di campioni rappresentativi dei due tipi morfologici di granuli SiC presolari studiati qui. Il grano L3_01 ha una forma euedrica che indica che è sfuggito alla frantumazione; ( A ) prima e ( B ) dopo aver premuto nell’oro e dopo l’analisi di spettrometria di massa di ioni secondari su scala nanometrica (NanoSIMS) e analisi della micro sonda ionica ad alta risoluzione (SHRIMP) ma prima dell’estrazione laser di gas nobili. Il grano L3_20 ha un aspetto simile a un frammento con fratture ( C ) prima di premere e ( D ) si fratturano ulteriormente quando si preme nel substrato d’oro. Le immagini di tutti i cereali sono fornite nell’Appendice SI .

un approccio di laboratorio per determinare la durata interstellare dei singoli grani di polvere di stelle di metallo duro presolare di grandi dimensioni (SiC). I grani presolari analizzati nel presente studio sono stati isolati con metodi chimici dal meteorite Murchison CM2, dove erano rimasti inalterati dalla loro incorporazione nel corpo genitore del meteorite nei primi anni del sistema solare 4.6 Ga fa. 

Questi grani sono identificati come presolari dalle loro grandi anomalie isotopiche che escludono un’origine nel Sistema Solare. I granuli di polvere di stelle Presolar sono i più antichi campioni solidi noti disponibili per lo studio in laboratorio, rappresentano la piccola frazione di materiale che si è formata in ambienti circumstellari e sono sopravvissuti alla lavorazione nell’ISM e nel Sistema Solare. L’abbondanza di granella di polvere di stelle presolare nella nostra nuvola interstellare madre era una percentuale di tutta la polvere interstellare presente in questa nuvola, con l’altra polvere che si è condensata nell’ISM. Nella nebulosa solare, più polvere condensata dal gas di raffreddamento e polvere di stelle presolare sono diventate un componente ancora più secondario. La maggior parte dei grani presolari sono stati successivamente distrutti dopo l’accrescimento nei corpi dei genitori durante il metamorfismo termico e l’alterazione acquosa.

Pertanto, la loro abbondanza nei materiali più primitivi del Sistema Solare che ha eluso l’elaborazione distruttiva del corpo genitore è di alcune parti per milione (ppm) a ∼200 ppm ad eccezione della polvere interplanetaria presumibilmente dalla polvere della cometa Grigg-Skjellerup, che contiene fino a ∼ 1% di materiali presolari. Abbiamo usato la spettrometria di massa per analizzare l’abbondanza di nuclidi prodotti nei granuli da reazioni di spallazione con raggi cosmici galattici (GCR) – che comprendono principalmente protoni ad alta energia e particelle α – durante la loro residenza nell’ISM. Quando queste particelle ad alta energia colpiscono un grano, piccole frazioni dei nuclidi bersaglio si rompono. I frammenti atomici risultanti si accumulano nel grano e le loro concentrazioni sono proporzionali al periodo di tempo in cui i grani sono stati irradiati. 

Gli elementi figlie adatti da studiare sono quelli con un’abbondanza iniziale molto bassa nei grani in modo tale che la frazione prodotta dai raggi cosmici (“cosmogenica”) diventi rilevabile. Questo è il caso di He, Ne e Li. Il SiC è la fase interstellare più adatta per la datazione dei nuclidi cosmogenici, grazie alla sua granulometria relativamente grande, all’elevata ritentività dei nuclidi cosmogenici e alla durabilità. Per la sua durata, lo consideriamo un utile tracciante. Nei più comuni grani di SiC, quelli che hanno origine da stelle a ramo gigante asintotico a bassa o media massa (AGB), le composizioni isotopiche He e Ne iniziali, incorporate dalle loro stelle madri, sono ben note, così la frazione cosmogenica può essere facilmente identificata. 

Una migliore conoscenza della produzione e della conservazione di tali nuclidi cosmogenici ci ha permesso di ottenere età con una maggiore affidabilità. Mentre la datazione radiometrica basata sul sistema di decadimento U − Pb può fornire alle età un’elevata precisione ed è spesso il metodo di scelta per campioni di materiali del Sistema Solare, non è stato ancora applicato con successo ai grani presolari. Questi grani hanno masse che sono ordini di grandezza inferiori ai campioni datati finora. Inoltre, i grani presolari presentano grandi anomalie isotopiche in praticamente ogni elemento, quindi ogni grano può avere una composizione isotopica iniziale a piombo distinta, rapporto isotopico dell’uranio ed età, rubando al sistema U-Pb alcune delle sue caratteristiche più desiderabili per la geocronologia. Fino a quando questi ostacoli non vengono superati, la datazione dell’età di esposizione è il metodo preferito per determinare l’età presolare dei singoli granuli di polvere di stelle.

I primi studi di questo tipo sono stati condotti su assemblaggi di migliaia di granuli di SiC da composti chimici. Età da 710 7 a 10 8 anni sono state derivate da 21 Ne, ma è stato suggerito che i singoli grani potrebbero mostrare età presolari molto più elevate fino a 2 Ga. Tuttavia, Ott e Begemann hanno mostrato che gran parte del 21 Ne misurato non era cosmogeno ma era impiantato al neon dal guscio He della stella madre AGB, mentre, allo stesso tempo, hanno concluso che le perdite di 21 Ne cosmogeno durante la produzione a causa del rinculo dei grani erano molto più grandi di quanto ipotizzato. Ott ha dedotto età presolari molto più basse per assemblaggi di SiC sfusi di poche volte solo 10 7 anni, basato su Xe cosmogeno, per cui le perdite di rinculo sono minori. 

La prima esposizione interstellare invecchia su singoli grani SiC eccezionalmente grandi (da ∼5 a 60 μm) sono stati riportati da Gyngard et al. basato sugli isotopi Li e da Heck et al. con He e Ne. I grani di grandi dimensioni contengono maggiori quantità di nuclidi cosmogenici e, cosa più importante, richiedono una correzione del rinculo più piccola. Gli studi di Heck et al. e Gyngard et al. entrambi hanno riportato un’età compresa tra pochi megayears a circa 1 Ga, ma la media delle età basate su Li era considerevolmente superiore all’età media dei gas nobili. Heck et al. hanno suggerito che le molte età di <200 Ma potrebbero essere spiegate dall’aumento della produzione di polvere dopo uno starburst galattico da 1 a 2 Ga prima della nascita del sole.

In questo lavoro, forniamo età presolari basate su isotopi Ne neogenogenici, aumentando in modo significativo il numero totale di età del grano presolare. Presentiamo anche età rivalutate da dati precedentemente pubblicati. Questo ci consentirà di migliorare ulteriormente la nostra comprensione delle vite della polvere interstellare. I precedenti tassi di produzione interstellare dei nuclidi cosmogenici si basavano su flussi profondi all’interno dell’eliosfera estrapolati nello spazio interstellare. Qui, invece, utilizziamo tassi di produzione interstellare migliorati che sono stati determinati con il modello puramente fisico di Trappitsch e Leya che utilizza un database di sezioni nucleari all’avanguardia e uno spettro GCR interstellare basato sui dati raccolti dalla sonda spaziale Voyager 1 della NASA ai margini dell’eliosfera. Voyager 1 ha registrato la parte a bassa energia dello spettro GCR, qualcosa che non è possibile più in profondità all’interno dell’eliosfera. Per correggere le perdite di rinculo dei nuclidi cosmogenici dai granuli di SiC, utilizziamo un modello di rinculo fisico che considera le energie dei protoni GCR e delle particelle α dal nuovo spettro dei raggi cosmici.

Un altro aspetto che non era stato preso in considerazione negli studi precedenti è la potenziale esposizione dei grani presolari al flusso di particelle potenziato del primo sole attivo. Grandi eccessi di gas nobili cosmogenici in singoli granuli di olivina in alcuni meteoriti primitivi sono stati attribuiti da alcuni lavoratori a un alto flusso di particelle energetiche dal sole primitivo (ad esempio,  sebbene altri abbiano contestato questa conclusione. Recentemente, tuttavia, Kööp et al. Hanno riportato prove inequivocabili di una maggiore esposizione dell’ibonite (un ossido di alluminio-calcio) – probabilmente il primo condensato di nebulosa solare – a particelle energetiche del primo sole attivo. Ciò implica che alcuni dei grani presolari che abbiamo studiato potrebbero essere stati esposti allo stesso flusso di particelle solari potenziato. Pertanto, siamo anche tenuti a stimare il limite superiore delle concentrazioni cosmogeniche di nuclidi prodotte nel sistema solare iniziale piuttosto che nell’ISM.

Riferimenti e approfondimenti

  1. Pnas  “Lifetimes of interstellar dust from cosmic ray exposure ages of presolar silicon carbide” di Philipp R. Heck, Jennika Greer, Levke Kööp, Reto Trappitsch, Frank Gyngard, Henner Busemann, Colin Maden, Janaína N. Ávila, Andrew M. Davis, and Rainer WielerBT Draine et al
  2. Draine et al Dust masses, PAH abundances, and starlight intensities in the SINGS galaxy sampleAstrophys. J. 663866894 (2007).
  3. D. H. WoodenS. B. CharnleyP. Ehrenfreund, “Composition and evolution of interstellar clouds” in Comets IIM. C. FestouH. U. KellerH. A. Weaver, Eds. (University of Arizona Press2004), pp. 3366
  4. B. T. DraineInterstellar dust grainsAnnu. Rev. Astron. Astrophys. 41241289 (2003).
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