В поисках химического рецепта Солнечной системы

Исследуя происхождение различных соотношений изотопов среди элементов, составляющих нынешнее разнообразие планет, лун, комет, астероидов, межпланетного льда и пыли, Марк Тименс и его коллеги надеются понять, как эволюционировала наша Солнечная система. Тименс, декан отделения физических наук Калифорнийского университета в Сан-Диего, работает над этой проблемой более трёх десятилетий.

В последние годы его команда обнаружила, что Beamline 9.0.2 (линия Chemical Dynamics Beamline) источника синхротронного излучения ALS в Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) Министерства энергетики США — это бесценный инструмент для изучения того, как фотохимия определяла основные ингредиенты в «рецепте» Солнечной системы. Линия генерирует интенсивные пучки вакуумного ультрафиолетового излучения (VUV) в диапазоне длин волн от 40 до 165 нанометров, которые можно точно настроить для имитации излучения протосолнца в период формирования системы.

Кислород и сера — третьи и десятые по распространённости элементы в Солнечной системе и одни из важнейших для жизни. Их изотопные отличия от земных чётко видны во многих типах метеоритов. В 2008 году команда Тименса использовала луч для проверки теории «самозащиты» (self-shielding), объясняющей, почему кислород-16 менее распространён в этих реликтах, чем на Солнце. Результаты показали, что эта теория не решает изотопную загадку кислорода.

Недавно группа использовала луч для первых экспериментов с серой в VUV-диапазоне. Результаты позволили построить модель химической эволюции в протосолнечной туманности, которая может объяснить изотопные соотношения серы, наблюдаемые в метеоритах. Эти выводы опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Изотопные составы могут меняться в результате масс-зависимых процессов (например, из-за разной скорости испарения или конденсации изотопов разной массы) или масс-независимых процессов, указывающих на химические реакции. Последние, вероятно, играли ключевую роль в ранней Солнечной системе, насыщенной интенсивным УФ-излучением.

Эксперимент с серой заключался в пропускании сероводорода (самого распространённого серосодержащего газа ранней системы) через камеру, где синхротронный луч разлагал газ и осаждал элементарную серу на ультрачистую алюминиевую фольгу. После химического извлечения и анализа методом изотопной масс-спектрометрии во всех образцах был обнаружен масс-независимый изотопный состав. Одна из возможных причин фракционирования в природе — фотодиссоциация сероводорода под действием УФ-излучения с длиной волны 121.6 нм во время конденсации газа в сульфид железа во внутренней Солнечной системе. Различные классы метеоритов впоследствии приобрели разные изотопные соотношения в зависимости от места и времени их формирования.

Сейчас команда Тименса изучает на beamline 9.0.2 азот, седьмой по распространённости элемент системы, изотопный состав которого в солнечном ветре и метеоритах также сильно варьируется. Как отмечает учёный Беркли Муса Ахмед, изучая фундаментальные элементы системы, они, по сути, отправляют эти элементы назад во времени, приближаясь к пониманию момента её зарождения.