We hebben dit allemaal gehoord: wanneer je een glas water drinkt, heeft dat water al een aantal spijsverteringskanalen van andere mensen doorlopen. Misschien Attila de Hun of Vlad de Spietser; misschien zelfs een Tyrannosaurus Rex.
Welnu, hetzelfde geldt voor sterren en materie. Alle materie die we hier op aarde om ons heen zien, zelfs ons eigen lichaam, heeft minstens één cyclus van stellaire geboorte en dood doorgemaakt, misschien meer. Maar welk type ster?
Dat wilde een team van onderzoekers van ETH Zürich (Ecole polytechnique federale de Zurich) weten.
Het verhaal van ons zonnestelsel begon ongeveer 4,5 miljard jaar geleden toen een moleculaire wolk instortte. In het midden van die ingestorte wolk kwam de zon tot leven in een uitbarsting van samensmelting en er vormde zich een schijf van gas en stof rond. Uiteindelijk zijn alle planeten in ons zonnestelsel gevormd uit die protoplanetaire schijf.
Binnen die schijf van materiaal waren stofkorrels die zich rond bepaalde andere sterren hadden gevormd. Deze speciale granen waren ongelijk verdeeld over de schijf, "zoals zout en peper", aldus Maria Schönbächler, professor aan het Instituut voor Geochemie en Petrologie aan de ETH Zürich. Toen de planeten van het zonnestelsel zich vormden, bevatten ze allemaal hun eigen mengsel van gas en stof en van die speciale korrels.
Dankzij de vooruitgang in meettechnieken kunnen wetenschappers het materiaal waaruit de planeten zijn gevormd, detecteren en de oorsprong ervan bepalen. Het komt allemaal neer op isotopen. Een isotoop is een atoom van een bepaald element met hetzelfde aantal protonen in de kern, maar met een ander aantal neutronen. Zo zijn er verschillende isotopen van koolstof, zoals C13 en C14. Hoewel alle koolstofisotopen 6 protonen hebben, heeft C13 7 neutronen, terwijl C14 8 neutronen heeft.
Het mengsel van verschillende isotopen op een planeet - niet alleen van koolstof maar ook van andere elementen - is als een vingerafdruk. En die vingerafdruk kan wetenschappers veel vertellen over de oorsprong van een lichaam.
"Stardust heeft echt extreme, unieke vingerafdrukken - en omdat het ongelijkmatig verspreid was door de protoplanetaire schijf, kreeg elke planeet en elke asteroïde zijn eigen vingerafdruk toen het werd gevormd", zei Schönböchler in een persbericht.
Door de jaren heen hebben wetenschappers deze vingerafdrukken op aarde en in meteorieten bestudeerd. Vergelijkingen tussen de twee laten zien hoe lang dode rode reuzensterren materie hebben bijgedragen aan de vorming van de aarde en alles erop. Inclusief ons.
Wetenschappers hebben deze isotopische anomalieën tussen de aarde en meteorieten kunnen vergelijken voor steeds meer elementen. Schönböchler en de andere wetenschappers achter een nieuwe studie hebben meteorieten onderzocht die deel uitmaakten van de kern van lang geleden vernietigde asteroïden. Ze hebben zich gericht op het element palladium.
Eerdere studies van andere wetenschappers hebben isotopenverhoudingen onderzocht op andere elementen, zoals ruthenium en molybdeen, die palladiums buren zijn op het periodiek systeem. Dankzij die eerdere resultaten kon het team van Schönböchler voorspellen wat ze zouden vinden als ze naar palladiumisotopen zochten.
Ze verwachtten vergelijkbare hoeveelheden palladium, maar kregen een verrassing.
'De meteorieten bevatten veel kleinere palladiumanomalieën dan verwacht', zegt Mattias Ek, postdoc aan de Universiteit van Bristol, die tijdens zijn promotieonderzoek aan de ETH de isotoopmetingen deed.
In hun paper presenteert het team een nieuw model om deze resultaten uit te leggen. Het papier is getiteld "De oorsprong vans-proces isotoop heterogeniteit in de protoplanetaire zonneschijf. ” Het werd op 9 december 2019 gepubliceerd in het tijdschrift Nature Astronomy. De hoofdauteur is Mattias Ek.
Hun model laat zien dat hoewel alles in ons zonnestelsel is gemaakt van sterrenstof, één type ster het meest heeft bijgedragen aan de aarde: rode reuzen of asymptotische reuzentak (AGB) -sterren. Dit zijn sterren in hetzelfde massabereik als onze zon die uitgroeien tot rode reuzen wanneer ze hun waterstof uitputten. Onze eigen zon zal er over ongeveer 4 of 5 miljard jaar een worden.
Als onderdeel van hun eindtoestand, synthetiseren deze sterren elementen in het zogenaamde s-proces. Het s-proces, of het proces van langzame neutronenvangst, creëert elementen zoals palladium en zijn buren op het periodiek systeem, ruthenium en molybdeen. Interessant is dat het s-proces deze elementen creëert met zaden van ijzeren kernen, die zelf zijn gemaakt in supernovae in eerdere generaties sterren.
“Palladium is iets vluchtiger dan de andere gemeten elementen. Als gevolg hiervan condenseerde er minder stof rond deze sterren en daarom is er minder palladium van sterrenstof in de meteorieten die we hebben bestudeerd, 'zegt Ek.
Er is een grotere overvloed aan materiaal van rode reuzen in de samenstelling van de aarde dan in Mars, of in asteroïden zoals Vesta verderop in ons zonnestelsel. Het buitenste gebied bevat meer materiaal van supernovae. Het team zegt dat ze kunnen uitleggen waarom dat zo is.
"Toen de planeten zich vormden, waren de temperaturen dichter bij de zon erg hoog", legt Schönbächler uit. Sommige stofkorrels waren instabieler dan andere, waaronder die met ijzige korsten. Dat type werd vernietigd in het binnenste zonnestelsel, dicht bij de zon. Maar sterrenstof van rode reuzen was stabieler en weerstond vernietiging, dus het is meer geconcentreerd dicht bij de zon. De auteurs zeggen dat stof van supernova-explosies ook sneller verdampt omdat het kleiner is. Dus er is minder van in het innerlijke zonnestelsel en op aarde.
"Dit stelt ons in staat uit te leggen waarom de aarde de grootste verrijking van sterrenstof van rode reuzensterren heeft in vergelijking met andere lichamen in het zonnestelsel", zegt Schönbächler.
Meer:
- Persbericht: Stardust van rode reuzen
- Research Paper: De oorsprong vans-proces isotoop heterogeniteit in de protoplanetaire zonneschijf
- Space Magazine: New Study werpt licht op hoe de aarde en Mars zijn gevormd
