9 Minutės
Giliai kai kuriuose planetos seniausiuose akmenyse mokslininkai aptiko chemines pirštų antspaudus, kurie gali priklausyti Žemės versijai, susidariusiai prieš milžinišką susidūrimą, suformavusį mus supantį pasaulį. Atranka remiasi subtiliu kalio izotopų disbalansu ir leidžia manyti, kad originalios proto‑Žemės fragmentai išgyveno planetinį kataklizmą prieš apie 4,5 milijardo metų ir vėliau buvo išsaugoti giliai plutoje ar mantijoje.
Senoviniai pirštų antspaudai: kalio izotopai atrakina prarastą Žemę
Šiuolaikiniai žemyninių planetų formavimosi modeliai teigia, kad ankstyvoji Žemė susidarė iš mažesnių planetinių embrionų ir meteorų jaunojo Saulės sistemos chaotiškame diske. Per pirmuosius ~100 milijonų metų Marsu dydžio kūnas, dažnai vadinamas Theia, susidūrė su proto‑Žeme didžiuliu, energetiškai intensyviu įvykiu – vadinamuoju milžinišku susidūrimu. Toks smūgis ištirpdė ir sumaišė Žemės išorinius sluoksnius, sukūrė Mėnulį ir iš esmės ištrynė daug skirtingų cheminių parašų, susijusių su planetos formavimosi komponentais.
Kelerius dešimtmečius mokslininkai laikėsi prielaidos, kad milžiniškas susidūrimas iš esmės „išvalė“ Žemės cheminę istoriją. Tačiau izotopai – tos pačios cheminės elemento formos, kurios skiriasi neutronų skaičiumi – leidžia pažvelgti už katastrofinio sumaišymo. Kalio elementas, dažnas planetinėse uolienose, natūraliai egzistuoja kelių izotopų pavidalu (39K, 40K ir 41K). Nedideli šių izotopų santykio svyravimai veikia kaip kriminalistiniai pėdsakai: jie fiksuoja medžiagų istoriją, iš kurių susiformavo planetos.
Massachusetts Institute of Technology (MIT) tyrėjų grupė ieškojo kalio izotopų anomalijos, galinčios nurodyti medžiagą, senesnę už pasireiškusią po susidūrimo. Tokio signalo radimas reikštų, kad proto‑Žemės dalys kažkaip išliko šio chaoso metu ir vėliau buvo apsaugotos giliuose plutos ar mantijos rezervuaruose nuo pilno cheminių signatūrų homogenizavimo.
Kaip dirbo MIT komanda: mėginių ėmimas, atskyrimas ir masių spektrometrija
Tiriant šią hipotezę, mokslininkai sujungė lauko mėginių ėmimą, laboratorinę analitiką ir skaitmenines simuliacijas. Jie nagrinėjo sukramtytus uolienų mėginius iš kai kurių seniausių Žemės išeigų Grenlandijoje ir Kanadoje – sričių, kuriose atidengtos senovinės kontinentinės plutos atplaišos. Taip pat analizuoti Havajų vulkaniniai lavas. Nors havajiečių vulkaninės uolienos mūsų laiko mastu yra jaunos, jos perneša krovinį iš gilaus mantijos sluoksnio ir potencialiai gali atnešti į paviršių pirmines, senovines chemines žymes.
Laboratorijoje komanda ištirpdė sumaltas uolienas rūgščioje terpėje, kad išgautų kalį, o vėliau taikė itin tikslų masių spektrometrijos metodą tam, kad išmatuotų santykines kalio‑39, ‑40 ir ‑41 koncentracijas. Mažų izotopinių santykių skirtumų nustatymas reikalauja griežtos cheminių frakcijų atskyrimo procedūros ir kruopštaus analizės kalibravimo. Tyrimas taip pat rėmėsi plačiu meteoritatų duomenų rinkiniu: dešimčių meteoritatų tipų sudėtys buvo naudojamos kaip palyginimo atskaitos taškai ir kaip įėjimo duomenys smūgio‑maišymo simuliacijoms.
Kryžminis Žemės mėginių tikrinimas su meteoritatų sudėtimis leido patikrinti, ar kuri nors Žemės uoliena išsaugojo izotopinį parašą, kurio negalima paaiškinti vėlesniais geologiniais procesais ar gerai žinomais meteoritiniais statybiniais blokais. Tokia lyginamoji analizė yra būtina, kad būtų atskirtas vietinis geocheminis perdirbimas nuo tikrai pirminės, protoplanetinės kilmės signatūros.
Pagrindinis atradimas: mažas deficitas su didelėmis pasekmėmis
Išsiskiriantis rezultatas buvo nuoseklus kalio‑40 trūkumas, palyginti su labiau paplitusiais izotopais, tam tikrose senose ir iš gilaus mantijos kilusiose uolienose. Kalio‑40 jau savaime sudaro nedidelę Žemės kalio dalį, tačiau tiriami pavyzdžiai rodė dar mažesnę dalį, nei būtų galima numanyti pagal įprastas referencines reikšmes. Tokį smulkų deficitą techniškai aptikti yra sudėtinga: reikia aukštos kokybės cheminio valymo, angarumo pašalinimo priemonių ir patikimų interlaboratorinių standartų. Nepaisant to, šis modelis pasikartojo nepriklausomuose mėginiuose – tai rodo realų geocheminį signalą, o ne analizės triukšmą ar vietinės alteracijos rezultatus.
Kodėl tai svarbu? Jei proto‑Žemė susiformavo su mažesne kalio‑40 dalimi, tuomet vėlesnis milžiniškas susidūrimas ir nuolatinis meteorų pritekėjimas turėjo tendenciją didinti vidutinę kalio‑40 frakciją, kai naujos medžiagos maišėsi su jau egzistuojančia Žeme. Tad uolienų su matomu deficitu radimas reiškia, kad tie mėginiai paveldėjo cheminį parašą iš priešsusidūriminių rezervuarų – medžiagos, kuri kažkaip išvengė visuotinio suvienodinimo, kai proto‑Žemė buvo perdirbta.
Vertindami šią hipotezę, tyrėjai vykdė maišymo simuliacijas, modeliavusias milžinišką susidūrimą, vėlesnį meteorų bombardavimą, mantijos įkaitinimą ir konvekcinį maišymą per planetinę istoriją. Remdamiesi žinomų meteoritų klasėmis surinkta sudėtine informacija, jie parodė, kad smūgio maišymas ir vėlesnės priemaišos turėtų paversti Žemės kalio izotopinę sudėtį artimesne šiuolaikinių medžiagų reikšmėms. Tuo tarpu anomaliniai mėginiai išsaugojo žemesnį kalio‑40 parašą, kurio galima tikėtis iš neperdirbtos proto‑Žemės medžiagos.
„Tai galbūt pirmas tiesioginis įrodymas, kad esame išsaugoję proto‑Žemės medžiagas,“ teigia Nicole Nie. Meninė iliustracija vaizduoja uolėtą proto‑Žemę, verčiančiąsi ir trykštančią lavą. Kreditas: MIT News; iStock
Nerastas meteoritas: spraga mūsų kolekcijoje
Nustebinantis faktas yra tai, kad pastebėtas kalio‑40 deficitas Žemės mėginiuose tiksliai neatitinka jokio iki šiol mokslu žinomo meteorito. Ankstesniuose darbuose Nie ir kolegos parodė, kad skirtingos meteoritatų grupės turi skirtingus kalio izotopinius parašus, dėl ko kalis tapo perspektyviu žymekliu planetinių statybinių blokų atsekimui. Tačiau konkretus signalas, aptiktas Grenlandijos, Kanados ir Havajų mėginiuose, nelabai dera su esamomis meteoritatų klasėmis.
Toks neatitikimas leidžia daryti dvi pagrindines prielaidas. Pirma, proto‑Žemė galėjo būti surinkta iš planetesimalų populiacijos, kuri mūsų meteoritatų rinkiniuose yra prastai atstovaujama arba visai nebuvusi. Meteoritatų inventorius yra šališkas – jis priklauso nuo to, kas nukrenta į Žemę ir kas išgyvena atmosferinį įėjimą; daugelis ankstyvosios Saulės sistemos medžiagų galėjo niekada nepasiekti mūsų kolekcijų. Antra, proto‑Žemės rezervuaras, išsaugotas mantijoje ar gilioje plutoje, gali atspindėti ankstyvuosius procesus – lakiųjų medžiagų praradimą, dalinį tirpimą ar diferencijavimą – kurie pakoregavo kalio izotopus tokiais būdais, kurių neaptinkame žinomuose meteorituose.
Bet kuriuo atveju šis radinys paryškina svarbią spragą mūsų supratime apie Saulės sistemos medžiagas ir pabrėžia, kad turimi meteoritatų mėginiai nėra išsamus planetinių statybinių blokų katalogas. Tokio pobūdžio neatitikimai skatina ieškoti naujų meteoritatų tipų, gerinti jų klasifikaciją ir plėsti lauko surinkimo programas, kad būtų sumažintas reprezentatyvumo šališkumas.
Kodėl šis atradimas yra svarbus planetų formavimuisi ir geochemijai
Iš pirmo žvilgsnio nedidelis izotopinis disbalansas gali pasirodyti techniškas ir abstraktus. Iš tiesų izotopų žymenys, tokie kaip kalio‑40, atveria pasakojimus apie laiką, šaltinius ir procesus, formavusius planetas. Jei proto‑Žemės fragmentai išliko Žemės giliuose rezervuaruose, jie suteikia retą ir tiesioginį žvilgsnį į kietąsias medžiagas, kurios iš pradžių sukūrė mūsų planetą – medžiagą, kuri yra senesnė už Mėnulio susidarymo įvykį.
Šie įžvalgos leidžia patikslinti milžiniško susidūrimo modelius: jos riboja, kiek kruopščiai susidūrimas homogenizavo proto‑Žemę ir kaip kai kurios kietos dalelės galėjo išgyventi arba būti vėl pritrauktos. Tai taip pat veikia šilumą generuojančių elementų atsargas – kalio‑40 prisideda prie radiogeninio šildymo – o tai savo ruožtu daro įtaką ankstyvajai mantijos konvekcijai, plutos formavimuisi ir terminėms sąlygoms, reikalingoms potencialiai gyvybei palaikyti.
Už Žemės ribų šis tyrimas praturtina lyginamąją planetologiją. Suvokimas, kurie statybiniai blokai išlieka išsaugoti planetoje, gali padėti interpretuoti izotopinius duomenis iš Marso, Mėnulio ir meteoritatų turinčių asteroidų. Rezultatai taip pat skatina paieškas naujiems meteoritatų tipams ir skatina gerinti giliųjų mantijos medžiagų mėginių ėmimą per pažangias geofizines metodikas ar būsimas gręžimo programas.
Ateities kryptys: ką mokslininkai darys toliau
Ateities tyrimų kelias turi keletą aiškių krypčių. Pirma, izotopinių tyrimų išplėtimas – apimant dar daugiau senovinių teritorijų, giliau kilusių iš mantijos lavų ir platesnes meteoritatų klases – patikrins, kiek plačiai paplitusi kalio anomalija. Tokios plati, reprezentatyvi tarptautinė mėginių kampanija padės nustatyti, ar rastas signalas yra lokalus reiškinys ar globalaus masto liudijimas apie proto‑Žemės paveldą.
Antra, didesnės tikslumo simuliacijos, sujungiančios smūgio dinamiką su izotopinės frakcionacijos modeliavimu, gali tikslinti, kaip parašai išgyvena arba silpnėja per milžiniškus susidūrimus. Tai reikalaus multidisciplininio požiūrio, apimančio planetologiją, hidrodinamiką, termodinamiką ir izotopų cheminių kinetiką.
Galiausiai, koordinuoti kitiems izotopiniams sistemoms (pvz., kalcis, titanas, volframas) skirti tyrimai patikrins, ar keli nepriklausomi žymenys nurodo tą patį proto‑Žemės rezervuarą. Tokia daugiakanalė izotopinė strategija labai padidintų tvirtumą argumentui, kad aptiktas signalas yra išties pirminis, o ne produkto vietinės geologinės transformacijos.
Praktiniai pažangos taškai analitikos srityje taip pat yra svarbūs: naujos kartos masių spektrometrai su didesniu jautrumu ir tikslumu leistų mokslininkams aptikti dar mažesnius izotopinius nukrypimus ir analizuoti inkluzijas ar mineralines fazes, kurios geriau išsaugo pirminę chemiją. Be to, pažangesni cheminio išgryninimo metodai ir tarptautiniai kalibravimo standartai pagerintų duomenų palyginamumą tarp laboratorijų.
Ekspertų įžvalga
Dr. Emma Kwan, planetų geochemikė didelėje mokslinių tyrimų institucijoje (tiesiogiai į tyrimą neįtraukta), komentuoja: „Rasti priešsusidūriminius chemijos parašus Žemėje yra tarsi atrasti fosilizuotą mūsų planetos kūdikystės fragmentą. Kalio‑40 deficitas gali būti subtilus, bet jis veikia kaip tvirtas žymuo, nes tokį specifinį modelį sunku sukurti įprastais geologiniais procesais. Jei šis rezultatas bus patvirtintas papildomais mėginiais ir kitomis izotopinėmis sistemomis, tai privers peržiūrėti, kiek iš tikrųjų mūsų žemės ankstyvosios chemijos išliko po Mėnulio susidarymo įvykio.“
Ji priduria: „Šis tyrimas taip pat pabrėžia, kaip svarbu derinti lauko geologiją, itin tikslią laboratorinę analizę ir realistiškus dinaminius modelius. Kiekviena įrodyminė grandis sustiprina argumentą, o kartu jos atveria viltingą galimybę: kad Žemės formavimosi istorija yra išsaugota vietose, kurias tik pradėjome tyrinėti.“
Galų gale šis atradimas yra tiek proveržis, tiek kvietimas tęsti paieškas. Jis atveria duris į galimybę atgauti originalios planetos fragmentus, bet kartu primena, kaip neišsamus yra mūsų Saulės sistemos medžiagų mėginių rinkinys. Tobulėjant analitiniams metodams ir tiriant daugiau senovinių uolienų izotopinėmis priemonėmis, mokslininkai arba patvirtins proto‑Žemės signalą keliuose žymeniuose, arba atvers sudėtingesnį ankstyvosios planetinės chemijos paveikslą.
Šiuo metu kalio anomalija, aptikta Grenlandijos, Kanados ir Havajų mėginiuose, yra reti archeologiniai pėdsakai: tylus prisiminimas iš laikų prieš Mėnulį, įrašytas uolienose ir iššifruotas šiuolaikinės mokslo technikos.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą