[论文解读] Earth's accretion inferred from iron isotopic anomalies of supernova nuclear statistical equilibrium origin

Timo Hopp, Nicolas Dauphas+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2021

Astro and Planetary Science参考文献 91被引用 37

一句话总结

本研究通过对23块铁陨石进行高精度Fe同位素测量，表明在超新星中通过核统计平衡产生的54Fe和58Ni核合成异常，定义了清晰的NC-CC同位素二分性。地球地幔的Fe-Mo-Ru同位素相关性与NC陨石一致，表明地球的构建块在吸积过程中同位素组成未发生显著变化，尽管CI球粒陨石与地球的Fe同位素组成相似，但其对地球Fe储量的贡献可能并不显著。

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.

研究动机与目标

• 确定铁陨石中的Fe同位素异常是否反映核合成过程，并保留其他元素（如Mo和Ni）中观察到的NC-CC同位素二分性。
• 评估在太空中停留期间银河宇宙射线（GCR）暴露是否会影响核合成Fe同位素异常的定量分析。
• 评估地球地幔与陨石储库之间的同位素相似性，特别是针对CI球粒陨石对地球Fe贡献的相互矛盾解释。

提出的方法

• 使用多接收电感耦合等离子体质谱法（MC-ICP-MS）对来自九个化学群（NC和CC）的23块铁陨石进行高精度Fe同位素分析，样品经化学纯化处理。
• 利用GCR暴露模型校正GCR引起的同位素效应，并与地球标准进行比较。
• 通过比较陨石中Fe同位素异常与Mo和Ru同位素异常，评估不同核合成起源元素之间的共变关系。
• 将地球地幔的Fe同位素组成与陨石储库及球粒陨石进行比较，以推断吸积历史和物质来源。
• 采用同位素异常表示法（μ54Fe(7/6)、ε100Ru(9/1)、ε95Mo(8/6)）量化相对于地球标准的偏离，识别核合成组分。
• 应用核合成异常建模，将54Fe和58Ni的过剩与Ia型或核心坍缩超新星中的核统计平衡联系起来。

实验结果

研究问题

• RQ1 铁陨石中的Fe同位素异常是否保留了其他元素（如Mo和Ni）中观察到的NC-CC同位素二分性？
• RQ2 在校正银河宇宙射线（GCR）暴露效应后，核合成Fe同位素异常是否可以可靠地量化？
• RQ3 何种恒星环境产生了CC陨石中观察到的54Fe和58Ni同位素异常？
• RQ4 地球地幔的同位素组成是否与CI球粒陨石或NC陨石一致？这对地球吸积历史意味着什么？
• RQ5 鉴于CI球粒陨石与地球地幔的Fe同位素组成相似，它们在多大程度上贡献了地球的Fe储量？

主要发现

• 所有铁陨石在Fe同位素上均表现出清晰的NC-CC二分性，CC陨石相对于NC陨石在54Fe和58Ni上显示出过剩。
• CC陨石中54Fe和58Ni的过剩最可能由Ia型超新星或核心坍缩超新星的Si/S壳层中的核统计平衡核合成过程解释。
• 地球地幔位于由铁陨石定义的Fe-Mo-Ru同位素异常相关线之上或附近，表明地球构建块在吸积最后约60%时间内同位素组成保持稳定。
• 尽管Fe同位素组成相似，CI球粒陨石在Cr和Ni方面相对于地球地幔具有同位素异常，排除了CI类物质对地球Fe的显著贡献。
• CI球粒陨石与地球地幔Fe同位素的相似性可能是由于核合成组分偶然叠加所致，而非遗传联系。
• 地球地幔的同位素组成最合理的解释是NC类物质的吸积，仅在后期有少量CC物质加入，且未显著改变Fe同位素组成。