Naukowcy odkryli pierwsze ślady „proto-Ziemi”

Geolodzy odkryli pierwsze ślady wskazujące jak mogła być zbudowana „proto-Ziemia”, która istniała 4,5 miliarda lat temu. Pomoże to lepiej poznać burzliwą historię naszej planety.

.Naukowcy z Massachusetts Institute of Technology (MIT) odkryli niezwykle rzadkie pozostałości „proto-Ziemi”, która powstała około 4,5 miliarda lat temu, zanim ogromna kolizja zmieniła skład tej prymitywnej planety i doprowadziła do powstania Ziemi, taką jaka jest dzisiaj. Ślady te pozwolą geologom lepiej to jak formował się nasz kosmiczny dom jak i cały Układ Słoneczny. Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie Nature Geosciences.

Jak tłumaczą astronomowie, miliardy lat temu wczesny Układ Słoneczny był wirującym dyskiem gazu i pyłu, które z czasem skupiał się i gromadził, tworząc pierwsze meteoryty, które z kolei połączyły się, formując proto-Ziemię i inne sąsiednie planety.

W swojej najwcześniejszej fazie, Ziemia była prawdopodobnie skalista i pokryta lawą. Następnie, niecałe 100 milionów lat później, meteoryt wielkości Marsa uderzył w młodą planetę, co całkowicie przemieszało i stopiło jej wnętrze i zmieniło jej skład chemiczny. A geolodzy uważają, że pierwotny materiał, z którego powstała „proto-Ziemia”, uległ całkowitej transformacji.

Jednak w ramach nowego badania naukowcy zidentyfikowali w starożytnych skałach sygnaturę chemiczną, która różni się od większości innych materiałów występujących obecnie na Ziemi. Ma ona postać subtelnej nierównowagi izotopów potasu i została odkryta w próbkach bardzo starych i bardzo głęboko położonych skał. Geolodzy ustalili, że sygnatura ta nie mogła powstać w wyniku żadnych dużych uderzeń meteorytów ani procesów geologicznych zachodzących obecnie na naszej planecie.

Najbardziej prawdopodobnym wyjaśnieniem składu chemicznego próbek jest to, że muszą one być pozostałością po „proto-Ziemi”, która w jakiś sposób pozostała niezmieniona, pomimo tego, że większość wczesnej planety uległa przemianie na skutek zderzeń i innych aktywności geologicznych.

„Być może jest to pierwszy bezpośredni dowód na to, że materiały z proto-Ziemi mogły przetrwać do dzisiaj. Widzimy fragment bardzo starej Ziemi, sprzed gigantycznego uderzenia. Jest to niesamowite, ponieważ spodziewalibyśmy się, że ten bardzo wczesny ślad zostanie powoli wymazany w trakcie ewolucji naszej planety” – mówi Nicole Nie z Massachusetts Institute of Technology.

Wcześniej naukowcy przeanalizowali skład wielu meteorytów, które zostały zebrane z różnych miejsc na całym świecie. Przed uderzeniem w Ziemi prawdopodobnie powstały one w różnych momentach historii i miejscach w całym Układzie Słonecznym, a zatem odzwierciedlają zmieniające się warunki panujące na przestrzeni czasu w naszym kosmicznym sąsiedztwie. Kiedy naukowcy porównali skład chemiczny próbek meteorytów z Ziemią, zidentyfikowali wśród nich „anomalię izotopową potasu”.

Izotopy to nieznacznie różniące się wersje pierwiastka, które mają taką samą liczbę protonów, ale różną liczbę neutronów. Potas może występować w jednym z trzech naturalnie występujących izotopów o liczbach masowych (protony plus neutrony) odpowiednio 39, 40 i 41. Wszędzie tam, gdzie potas występuje na Ziemi, występuje on w charakterystycznej kombinacji izotopów, z przewagą potasu-39 i potasu-41. Potas-40 jest obecny, ale w porównaniu z pozostałymi izotopami stanowi znikomy procent.

Badacze odkryli, że analizowane przez nich meteoryty wykazywały równowagę izotopów potasu, która różniła się od większości skał obecnych na Ziemi. Ta anomalia sugerowała, że każdy materiał wykazujący podobne zróżnicowanie prawdopodobnie powstał jeszcze przed tym jak uformował się obecny skład Ziemi. Jak podkreślają geologowie, każda nierównowaga potasu w skałach byłaby wyraźnym znakiem obecności materiału pochodzącego z proto-Ziemi – zanim gigantyczne zderzenie zmieniło skład chemiczny planety.

„W ramach tych badań odkryliśmy, że różne meteoryty mają różne sygnatury izotopowe potasu, co oznacza, że pierwiastek ten może służyć jako wskaźnik składników budulcowych Ziemi” – wyjaśnia Nicole Nie.

W ramach nowego badania, naukowcy szukali oznak anomalii potasu nie w meteorytach, ale w materiałach obecnych na Ziemi. Analizowane próbki obejmują skały w postaci proszku z Grenlandii i Kanady, gdzie obecnie znajdowane są jedne z najstarszych zachowanych skał. Przeanalizowali też osady lawy zebrane na Hawajach, gdzie wulkany wyniosły jedne z najwcześniejszych i najgłębszych materiałów Ziemi z płaszcza (najgrubszej warstwy skał planety, która oddziela skorupę od jądra).

„Jeśli ten ślad potasu zachował się, chcielibyśmy go poszukać w najodleglejszej przeszłości i głębi Ziemi” – podkreśla Nicole Nie.

Naukowcy wykorzystując różne metody chemiczne starannie wyizolowali potas z próbek, a następnie użyli specjalnego spektrometru masowego do pomiaru stosunku trzech izotopów tego pierwiastka. Zidentyfikowali w próbkach izotopowy ślad, który różnił się od tego, który znaleziono w większości materiałów obecnych na Ziemi.

W szczególności, w niektórych próbkach badacze zidentyfikowali jeszcze większy niedobór izotopu potasu-40. W większości materiałów na Ziemi izotop ten stanowi już nieznaczny ułamek w porównaniu z dwoma innymi. Jednak naukowcy byli w stanie stwierdzić, że ich próbki zawierały jeszcze mniejszy jego procent.  Zdaniem geologów może to świadczyć o tym, że materiały te „zostały zbudowane inaczej” w porównaniu z większością, które obecnie występują na Ziemi.

Aby odpowiedzieć na pytanie czy próbki te mogą być rzadkimi pozostałościami po początkach naszej planety, naukowcy przyjęli założenie, że tak właśnie może być. Doszli do wniosku, że gdyby proto-Ziemia była pierwotnie zbudowana z materiałów ubogich w potas-40, to większość z nich uległaby przemianom chemicznym – w wyniku gigantycznego zderzenia, a następnie mniejszych uderzeń meteorytów – co ostatecznie doprowadziłoby do powstania materiałów zawierających więcej potasu-40, które obserwujemy dzisiaj.

Badacze wykorzystali dane dotyczące składu wszystkich znanych meteorytów i przeprowadził symulacje zmian deficytu potasu-40 w próbkach po uderzeniach tego rodzaju skał w wczesną Ziemię, jak również kolizji z jednym ogromnym obiektem. Naukowcy symulowali również procesy geologiczne, które miały miejsce na naszej planecie na przestrzeni czasu, takie jak ogrzewanie i mieszanie się płaszcza ziemskiego. Ostatecznie analizy te wskazały na skład o nieco wyższej zawartości potasu-40 w porównaniu z próbkami z Kanady, Grenlandii i Hawajów. Jednak co ważniejsze, symulowany skład odpowiadał temu w obecnie występujących materiałach.

Jak sugerują geolodzy, że materiały z deficytem potasu-40 są prawdopodobnie pierwotną pozostałością, z której składała się „proto-Ziemia”.

Charakterystyka próbek nie pokrywała się również z żadnym meteorytem, który był analizowany. Chociaż te kosmiczne wykazywały anomalie potasu, nie były one dokładnie takie same jak deficyt obserwowany w próbkach z proto-Ziemi. Oznacza to, że meteoryty i materiały, z których pierwotnie powstała nasza planeta, nie zostały jeszcze odkryte.

.„Naukowcy próbowali zrozumieć pierwotny skład chemiczny Ziemi, łącząc składy różnych grup meteorytów. Jednak nasze badanie pokazuje, że obecny spis kosmicznych skał nie jest kompletny i wciąż pozostaje wiele do odkrycia na temat pochodzenia naszej planety” – podsumowuje Nicole Nie.

Emil Gołoś