[논문 리뷰] Earth's accretion inferred from iron isotopic anomalies of supernova nuclear statistical equilibrium origin

Timo Hopp, Nicolas Dauphas외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 12.

Astro and Planetary Science참고 문헌 91인용 수 37

한 줄 요약

이 연구는 23개의 철 운석에서 고정밀 철 동위원소 측정을 통해 초신성에서 발생한 핵통계평형에 의해 생성된 54Fe 및 58Ni의 내원적 비정상성은 NC-CC 동위원소 이분화를 명확히 정의함을 보여준다. 지구의 맨틀은 NC 운석과 동일한 Fe-Mo-Ru 동위원소 상관관계에 위치해 있어, 지구의 구성 블록이 응집 과정 동안 동위원소 조성이 크게 변화하지 않았고, CI 콘드라이트가 지구의 철 예산에 기여하지는 않았을 가능성이 있음을 시사한다. 이는 그들의 철 동위원소 조성이 유사하기 때문이지만.

ABSTRACT

Nucleosynthetic Fe isotopic anomalies in meteorites may be used to reconstruct the early dynamical evolution of the solar system and to identify the origin and nature of the material that built planets. Using high-precision iron isotopic data of 23 iron meteorites from nine major chemical groups we show that all iron meteorites show the same fundamental dichotomy between non-carbonaceous (NC) and a carbonaceous (CC) meteorites previously observed for other elements. The Fe isotopic anomalies are predominantly produced by variation in 54Fe, where all CC iron meteorites are characterized by an excess in 54Fe relative to NC iron meteorites. This excess in 54Fe is accompanied by an excess in 58Ni observed in the same CC meteorite groups. Together, these overabundances of 54Fe and 58Ni are produced by nuclear statistical equilibrium either in type Ia supernovae or in the Si/S shell of core-collapse supernovae. The new Fe isotopic data reveal that Earth's mantle plots on or close to correlations defined by Fe, Mo, and Ru isotopic anomalies in iron meteorites, indicating that throughout Earth's accretion, the isotopic composition of its building blocks did not drastically change. While Earth's mantle has a similar Fe isotopic composition to CI chondrites, the latter are clearly distinct from Earth's mantle for other elements (e.g., Cr and Ni) whose delivery to Earth coincided with Fe. The fact that CI chondrites exhibit large Cr and Ni isotopic anomalies relative to Earth's mantle, therefore, demonstrates that CI chondrites are unlikely to have contributed significant Fe to Earth.

연구 동기 및 목표

• 철 운석에서 관찰되는 철 동위원소 비정상성이 핵합성 과정을 반영하고, 다른 원소에서 관찰된 NC-CC 동위원소 이분화를 유지하는지 확인하기 위해.
• 우주에 존재하는 동안 간행성 우주선(GCR)에 노출된 것이 핵합성 철 동위원소 비정상성의 정량화를 손상시키는지 평가하기 위해.
• 지구의 맨틀과 운석 저류 간의 동위원소 유사성 평가를 통해, 특히 지구의 철에 대한 CI 콘드라이트 기여에 대해 상반된 해석이 존재하는 배경에서 분석하기 위해.

제안 방법

• 화학적으로 순수화된 철 용액을 사용하여 MC-ICP-MS를 통해 9개의 화학군(비율: NC 및 CC)에서 온 23개의 철 운석에 대한 고정밀 철 동위원소 분석을 수행함.
• GCR에 의한 동위원소 효과를 보정하기 위해 GCR 노출 모델을 적용하고 지구 기준과 비교함.
• 다른 핵합성 기원을 가진 원소들 간의 공변동을 평가하기 위해 운석에서의 철 동위원소 비정상성과 Mo 및 Ru 동위원소 비정상성 간의 상관관계 분석함.
• 지구의 맨틀 철 동위원소 조성을 운석 저류 및 콘드라이트와 비교하여 응집 역사 및 물질 기원을 추론함.
• 지구 기준에서의 탈리크한 동위원소 비정상성의 정도를 정량화하고 핵합성 성분을 식별하기 위해 동위원소 비정상성 표기법(μ54Fe(7/6), ε100Ru(9/1), ε95Mo(8/6))를 사용함.
• 54Fe 및 58Ni 초과분이 유형 Ia 또는 중심붕괴 초신성의 핵통계평형과 관련된 것으로 연결되도록 핵합성 비정상성 모델링을 적용함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 철 운석에서의 철 동위원소 비정상성은 Mo 및 Ni와 마찬가지로 관찰되는 NC-CC 동위원소 이분화를 유지하는가?
• RQ2 GCR에 의한 노출 영향을 보정한 후 핵합성 철 동위원소 비정상성을 신뢰성 있게 정량화할 수 있는가?
• RQ3 CC 운석에서 관찰된 54Fe 및 58Ni 동위원소 비정상성은 어떤 항성 환경에서 발생했는가?
• RQ4 지구의 맨틀 동위원소 조성이 CI 콘드라이트 또는 NC 운석과 일치하는가? 이는 지구의 응집 역사에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ5 지구의 맨틀과 유사한 철 동위원소 조성을 가진 CI 콘드라이트가 지구의 철 예산에 얼마나 기여했는가?

주요 결과

• 모든 철 운석은 NC와 CC 간에 명확한 Fe 동위원소 이분화를 보이며, CC 운석은 NC 운석에 비해 54Fe 및 58Ni에 초과분을 보임.
• CC 운석에서의 54Fe 및 58Ni 초과분은 유형 Ia 초신성 또는 중심붕괴 초신성의 Si/S 격자에서의 핵통계평형에 의한 핵합성 생성에 의해 가장 잘 설명됨.
• 지구의 맨틀은 철 운석이 정의한 Fe-Mo-Ru 동위원소 비정상성 상관관계선 위 또는 그에 가까운 위치에 위치해 있어, 응집 과정의 마지막 약 60% 동안 지구의 구성 블록에서 동위원소 안정성이 유지되었음을 시사함.
• 비록 철 동위원소 조성이 유사하나, CI 콘드라이트는 지구의 맨틀에 비해 Cr 및 Ni에서 동위원소 비정상성을 보이며, CI 유사 물질의 철 기여를 배제함.
• CI 콘드라이트와 지구의 맨틀 간의 철 동위원소 유사성은 기원적 연관성 때문이 아니라, 핵합성 성분의 우연적 중첩 때문일 가능성이 큼.
• 지구의 맨틀 동위원소 조성은 주로 NC 유사 물질의 응집에 의해 가장 잘 설명되며, 철 동위원소 조성을 크게 변화시키지 않는 소량의 후기 CC 물질 추가만 포함됨.