科学家重现太阳系中最古老岩石中发现的氧气模式

太阳星云中最早形成的尘埃和岩石。

加州大学圣地亚哥分校的宇宙化学家证明，根据已知的物理原理进行的化学反应会生成硅酸盐尘，其氧异常与太阳系中最古老的岩石中的氧异常相匹配。

加利福尼亚大学圣地亚哥分校的宇宙化学家解决了太阳系形成过程中一个长期存在的谜团：氧是地壳中最丰富的元素，它遵循最古老，最原始的岩石中的一种奇怪的异常形态，这种形态必须来自与形成地球上含氧矿物的众所周知的反应不同的化学过程。

加州大学圣地亚哥分校物理科学系主任兼化学教授马克·蒂门斯说：“无论异常源是太阳系形成的主要过程，但这仍然是一个争论的问题。”“我们的实验从本质上重现了早期的太阳系，因为它们吸收了气相分子，并生成了固体硅酸盐，这实际上是行星的基础。”

通过重新创造太阳星云中的条件，聚结形成我们的恒星的气体旋流，行星以及环绕太阳作为小行星的残留岩石碎片，研究人员证明了由已知物理原理控制的简单化学反应，他们在10月24日的早期在线版《科学》杂志上报道说，它们会产生硅酸盐尘，其氧异常与太阳系中最古老的岩石中的氧异常相匹配。

科学家首先在40年前在墨西哥Pueblito de Allende上空爆炸的石质陨石中注意到了这种差异，这一点在其他陨石中也得到了证实。这些石质陨石是落在地球上的小行星，是太阳系中最古老的物体，据信它们是在太阳星云形成的第一百万年中形成的，距今约46亿年前。氧16是最丰富的形式，每个质子有一个中子，而变质形式有一个或两个以上的中子，它们之间的混合与地球，月球和火星的陆地岩石中所见的混合非常不同。

该报告的主要作者，加州大学圣地亚哥分校的化学项目科学家Subrata Chakraborty说：“陨石中的氧同位素与陆地行星的氧同位素有很大不同。”“由于氧气是宇宙中第三大最丰富的元素，也是主要的岩石形成元素之一，不同太阳系物体之间的这种变化是一个难题，必须理解它，才能理解太阳系是如何形成和演化的，”

氧同位素通常根据质量进行分类：只有一个额外的中子的17氧气被掺入分子中的氧气的频率是只有两个额外的中子的18氧气的一半。在这些石质陨石中，两种较重的氧同位素以相等的比例出现。将它们掺入形成这些最早岩石的矿物中的速率与质量无关。Thiemens和John Heidenreich在30年前的臭氧形成过程中就证明了氧同位素的这种质量无关的分级分离，但是迄今为止，还没有通过实验证明过类似的过程来形成固体岩石块。

实际上，已经提出了一些相互竞争的想法作为对该异常的潜在解释。一些人认为，当太阳系中最早的固体物质形成时，氧同位素的混合情况就不同了，也许是由附近的超新星爆炸产生的物质所富集的。其他人则提出了一种称为自屏蔽的光化学效应，该团队此前已将其排除在外。最后一个想法是，称为对称性的物理化学原理可以解释所观察到的氧同位素模式。

为了验证这一想法，查克拉博蒂（Chakraborty）用纯氧气，各种量的纯氢气和少许黑色的固态一氧化硅填充了一个曲棍球大小的室内。他用激光将一氧化硅气雾蒸发成混合物。这些是射电望远镜在星际云中看到的成分，这是我们太阳系的起点。

一氧化硅气体与氧气和氢气反应生成二氧化硅，该二氧化硅以粉尘形式沉积在室内，是硅酸盐矿物（如石英）的基础，硅酸盐矿物在地壳中非常普遍。气体的这些反应形成了太阳系中最早的固体物质。

当Chakraborty和该论文的合著者Petia Yanchulova收集并分析了尘埃时，他们看到了与石陨石中发现的异常形态相匹配的氧同位素混合物。异常的程度与氢气占大气的比例成比例，这一观察结果表明反应受对称性支配。

蒂门斯说：“无论星云早期发生了什么，这都是从头开始制造第一块岩石的最后一步。”“我们已经证明您不需要神奇的配方即可产生这种氧气异常。这只是物理化学的一个简单特征。”

NASA的宇宙化学和太阳系起源计划资助了这项工作。

出版物：Subrata Chakraborty等人，“气相SiO2形成过程中与质量无关的氧同位素分配”，《科学》，2013年10月25日：卷342号6157页，第463-466页； DOI：10.1126 / science.1242237

图像：美国宇航局