Что было до Солнечной системы

Ученые узнали, что происходило на месте Солнечной системы еще до образования Солнца и планет. Это позволили сделать образцы грунта с астероида Рюгу, которые доставила на Землю японская миссия "Хаябуса-2". Оказалось, что астероид содержит самый древний, еще досолнечный материал первичного газопылевого облака. Обнаружили и аминокислоты — строительные блоки белков всех живых организмов.

Астероиды ученые называют "капсулами времени в космическом вакууме". Считается, что в отличие от планет, внутри которых более тяжелые химические элементы переместились в ядро, а более легкие — к поверхности, эти малые тела состоят из первичного материала протопланетного облака.

Раньше астрономы судили об астероидах только по спектральным характеристикам — образцов вещества "ископаемых фрагментов Солнечной системы" у них не было. Теоретически частями астероидов могут быть некоторые метеориты. Но, во-первых, определить, от каких космических тел эти куски откололись, невозможно, а во-вторых, нельзя исключить попадание в них земного материала. А это принципиально важно, например, чтобы понять происхождение сложных органических соединений, которые порой находят в метеоритах.

В июне 2010-го аппарат "Хаябуса" Японского агентства аэрокосмических исследований (JAXA) доставил на Землю грунт с поверхности астероида Итокава. Там было около полутора тысяч микрозерен оливина, пироксенов и плагиоклазов — типичных минералов из группы силикатов, характерных для малых тел S-класса. S-астероиды, названные так из-за высокого содержания кремния, сформировались относительно недавно и находятся во внутренней части Солнечной системы, что делает их легкой мишенью.

Миссия "Хаябуса-2" амбициознее. Задача — получить образцы углистых астероидов спектрального класса С, к которым относится большинство малых тел Солнечной системы. Они сформировались далеко от Солнца и, по мнению ученых, сохранили примитивный протопланетный материал. Но эти тела чрезвычайно сложно изучать с помощью спектральных методов, поскольку из-за удаленности они слишком темные.

Аппарат "Хаябуса-2" направили к астероиду Рюгу диаметром около 900 метров. До него 340 миллионов километров, однако он пересекает орбиту Земли. Кроме того, дистанционное зондирование показало, что Рюгу может содержать органическое вещество и воду на поверхности или в структуре минералов.

В 2019-м зонд добрался до астероида и взял пробы с поверхности и из подповерхностных слоев (по Рюгу выстрелили медной болванкой и собрали в кратере мелкие обломки). В декабре 2020-го аппарат вернулся на Землю. Ученые получили 5,4 грамма вещества: в 50 раз больше, чем ожидали. Полгода готовили образцы и летом 2021-го приступили к их изучению. Предварительные результаты опубликовали в журналах Science и Proceedings of the Japan Academy.

Прежде всего ученые установили, что по химическому составу астероид Рюгу соответствует хондритам типа СI — самым древним из известных, образовавшихся еще до формирования основных планет Солнечной системы. Из более чем 70 тысяч найденных на Земле метеоритов только девять относятся к этому типу.

Изотопные соотношения кислорода, кальция и хрома позволяют предположить, что материал Рюгу даже древнее, чем в имеющихся хондритах СI, так как на него меньше воздействовала протосолнечная термическая активность.

"Хондриты CI наиболее вероятные представители облака молекулярной пыли, которое коллапсировало, образуя Солнечную систему 4567 миллионов лет назад, — рассказал австралийскому Центру научных СМИ (SMC) профессор Тревор Айрленд из Исследовательской школы наук о Земле Австралийского национального университета. — Они обычно содержат органические молекулы и воду — два основных ингредиента белков, необходимых для жизни. Но репрезентативные метеориты CI чрезвычайно редки, а также подвержены земному загрязнению и изменениям в результате взаимодействия с нашей богатой кислородом и водой атмосферой. Таким образом, образец Рюгу дает нам уникальную возможность взглянуть на то, что представляет собой первичный протопланетный материал".

Японские ученые выявили в образцах с Рюгу следы воды. Частицы грунта сложены пористым мелкозернистым агрегатом листовых силикатов — глинистых минералов, содержащих воду — с отдельными вкраплениями кристаллов карбонатов, сульфидов и оксидов железа. Изотопные характеристики марганца и хрома в магнетите (оксид железа) и доломите (карбонат кальция и магния) указывают на то, что эти минералы также формировались в водной среде.

Более 40 процентов объема частиц — это поры, которые когда-то были заполнены водой в твердом или жидком состоянии. Судя по минеральному составу и структуре частиц, порода не раз подвергалась замораживанию и оттаиванию. Первичным источником тепла при этом выступали процессы радиоактивного распада в недрах небольшого планетоподобного тела. Такие тела, называемые планетезималями, формировались при слипании космической пыли, содержащей водяной лед. Это происходило в первые два-пять миллионов лет после образования Солнечной системы.

Для нагрева в результате радиоактивного распада до образования жидкой воды необходимо, чтобы размер протопланеты был не менее нескольких десятков километров. Поэтому исследователи уверены, что астероид Рюгу — часть более крупного тела, которое со временем охладилось и снова замерзло.

Считается, что каменно-ледяные кометы — это осколки планетезималей. Не исключено, что астероид Рюгу когда-то был кометой. Численное моделирование показывает, что при миграции из холодной внешней зоны Солнечной системы во внутреннюю водяной лед кометы выпаривается, а ядро в процессе вращения уплотняется, приобретая вид пористого агрегата силикатных минералов. Часть водяного пара, поднимающегося из ядра, может конденсироваться на поверхности, что приводит к образованию водных минералов.

Гипотеза о бывшей комете подтверждается тем, что, во-первых, у Рюгу форма волчка. Во-вторых, его вещество не монолит, а отдельные частицы и кристаллы, как бы слипшиеся под действием силы тяжести. И в-третьих, в них очень много органики. А ледяные кометы часто содержат органику, образовавшуюся в межзвездной среде.

Геохимический анализ выявил в пробах полициклические ароматические углеводороды, похожие на земную нефть, различные соединения азота, а также многочисленные пребиотические органические соединения, в том числе два десятка аминокислот: тех же, что в белках каждого живого организма на Земле.

Судя по изотопному составу, примитивные органические вещества уже содержались в межзвездной пыли, из которой формировалось протопланетное облако на месте Солнечной системы. Слипаясь, эта пыль образовала планетезимали. В результате водных реакций на их поверхности возникли более сложные соединения типа аминокислот.

После распада одной из планетезималей ее фрагмент несколько тысяч лет провел на окраине протопланетного облака в виде кометы, а затем переместился во внутренний пояс астероидов, где Солнце испарило его лед. В итоге появился нынешний астероид Рюгу.

Возможно, похожая судьба была у другого околоземного астероида — Бенну. В октябре 2020-го американский аппарат OSIRIS-REx взял пробу его грунта. Возвращение на Землю запланировано на сентябрь 2023-го.

Если образцы Бенну по структуре и составу окажутся аналогичными, можно будет сказать, что есть целый класс переходных объектов, образовавшихся на окраине нашего протопланетного облака как каменисто-ледяные кометы и превратившихся после миграции к Солнцу в астероиды. По одной из гипотез, именно эти кометы-астероиды занесли с окраин Солнечной системы на Землю сложные органические соединения, давшие начало жизни.