8 Minutės
Ankstyvoji Žemė buvo cheminėmis savybėmis nustatyta – bet sausa
Nauji tyrimai iš Berno universiteto Geologijos mokslų instituto rodo, kad proto-Žemės pagrindinė cheminė sudėtis faktiškai susiformavo maždaug per pirmuosius tris milijonus metų po Saulės sistemos susidarymo. Remiantis aukštos tikslumo izotopiniais matavimais ir modeliavimo rezultatais, tyrėjai daro išvadą, kad jaunos Žemės statybiniai komponentai buvo be lakųjų elementų, būtinų biologijai — ypač be vandens ir anglies junginių. Vėlesnis didelis smūgis su vandens turtingu objektu, dažnai vadinamu Theia, greičiausiai pateikė tuos lakiuosius elementus, kurie paverčia dykumą primenančią uolieną mėlynu, gyvybei palankiu planetos paviršiumi.
Šis tyrimas pateikia svarbią perspektyvą apie ankstyvosios planetos evoliuciją ir pabrėžia, kad Žemės dabartinė cheminė pusiausvyra gali būti rezultatų grandinės, kurioje itin svarbūs buvo greiti procesai ir vėlyvos, stochastinės įvykio fazės. Tokia idėja turi tiesioginę įtaką mūsų supratimui apie gyvenamųjų sąlygų formavimąsi tiek Saulės sistemoje, tiek kituose žvaigždžių sistemose.
Mokslinis pagrindas: lakieji elementai, kondensacija ir vidinė Saulės sistemos dalis
Protoplanetinėje disko aplink Saulę tankėjančioje aplinkoje lakieji elementai, tokie kaip vandenilis, anglis ir siera, buvo gausesni šaltesnėse, tolimose disko zonose. Tačiau arčiau ankstyvosios Saulės — tose vietose, kur formavosi Merkurijus, Venera, Žemė ir Marsas — temperatūros buvo pakankamai aukštos, kad šie lakieji komponentai liktų dujinėje formoje ir nekondensuotų į kietus grūdus. Todėl planetų embrionai, kurie kaupėsi vidinėje disko dalyje, į savo sudėtį įtraukė labai mažai šių gyvybei reikalingų junginių. Tiktai objektai, susiformavę šaltesnėse zonose, galėjo išlaikyti didesnes lakiojo ir vandens atsargas.
Tokio terminio atskyrimo pasekmė yra esminė — ji paaiškina, kodėl svarbu nustatyti, kada Žemė įgijo savo cheminį parašą. Jeigu pagrindinis Žemės kaupimosi etapas baigėsi tada, kai vidinis diskas vis dar buvo nuskuręs kondensuojamų lakųjų elementų, tada reikia vėlyvų tiekimo mechanizmų, kad būtų paaiškintos dabartinės vandenynų ir atmosferos atsargos. Kitaip tariant, ankstyvas cheminis uždarymas reiškia, kad Žemė vaizdžiai kalbant gimė „sausa“, o likusi gyvybei būtina medžiaga turėjo būti pristatyta vėliau.
Be to, toks modelis padeda sieti meteoritinius duomenis su planetų migracijos scenarijais: anglies turinčių chondritų ir kitų volatilius išsaugojusių kūnų kilmė bei jų tolimesnis judėjimas į vidų gali paaiškinti vėlesnį vandens ir anglies įnešimą į Žemę.
Metodai: mangano-53 chronometras ir izotopiniai pirštų atspaudai
Bernas derino izotopinius ir elementinius duomenis iš meteoritų ir žemės uolienų ir panaudojo modelinius skaičiavimus, kad rekonstruotų planetų statybinių blokų laiką ir sudėtį. Esminė jų prieiga — aukštos tikslumo chronometras, pagrįstas radioaktyviuoju mangano-53 (53Mn) skilimu į chromą-53 (53Cr). Turint maždaug 3,8 milijono metų pusamžį, 53Mn–53Cr sistema leidžia atskirti įvykius pirmuosiuose keliuose milijonuose metų po Saulės sistemos susidarymo su submilijoninių metų tikslumu.
Tyrėjų komanda panaudojo specializuotas masių spektrometrijos technikas ir griežtą kalibraciją, kad eliminuotų trukdžius ir gautų tiksliausius galimus izotopinius santykius. Jie lygino įvairių meteoritų grupių — pavyzdžiui, anglies turinčių chondritų ir enstatitinių chondritų — izotopinius parašus su žemės plutos uolienų ir senovinių magminių kalnakasių mėginiais. Tokie palyginimai leidžia išvesti, iš kokių diskų zonų kilo skirtingi kūnai ir kada šios zonos „užsidarė“, prieš išeinant į tolesnes akrecijos fazes.
"Naudojome aukštos tikslumo laiko matavimo sistemą, pagrįstą mangano-53 radioaktyviuoju skilimu, kad nustatytume tikslų amžių", — sakė dr. Pascal Kruttasch, pagrindinis tyrimo autorius. Berno universiteto izotopų geochemijos ekspertizė bei tarpžvaigždinės medžiagos analizės galimybės suteikė pagreitintą prieigą prie griežtų laiko apribojimų. Lygindami meteoritų izotopinius parašus, kurie atspindi skirtingas ankstyvojo disko formavimosi zonas, su žemės mėginiais, tyrėjai galėjo nubrėžti laiką, kuriuo Žemės bendroji chemija pasiekė dabartinį modelį.
Be to, komanda įvertino kondensacijų sekos teorines ribas ir integravo duomenis apie elementų frakcionaciją, kad atskirtų laukines pradinius signalus nuo vėlesnių cheminės perdirbimo įvykių. Tai ypač svarbu — izotopiniai skirtumai leidžia atskirti pradinę akreciją nuo antrinių perdirbimų, tokių kaip masiniai susidūrimai ar plutos diferenciacija.
Pagrindiniai atradimai ir pasekmės Žemės gyvenamumui
Tyrimas rodo, kad proto-Žemės cheminė sudėtis — santykinės refrakterių ir lakųjų komponentų proporcijos — iš esmės buvo užfiksuota per maždaug tris milijonus metų po to, kai Saulės sistema susiformavo prieš maždaug 4 568 milijonus metų. Toks greitas cheminis „užsidarymas“ reiškia, kad ankstyvoji Žemė buvo daugiausia sausa, akmenuota kūnas, neturintis sąlygų skystam vandeniui požeminėse ar paviršinėse sąlygose bei turtingai anglies chemijai klestėti.
Autoriai argumentuoja, kad vėlesnis įvykis — tikėtina, didžiulis smūgis su Theia — suteikė lemtingą lakųjų elementų impulsą. Theia, pagal daugelį hipotezių, kilo toliau nuo Saulės, kur ledo ir lakiųjų medžiagų buvo daugiau. Masinis susidūrimas ne tik atneštų didelį kiekį volatilių, bet ir paaiškintų Mėnulio susidarymą, suderindamas tiek fizinius, tiek izotopinius apribojimus.
"Dėl mūsų rezultatų žinome, kad proto-Žemė iš pradžių buvo sausa uolinė planeta. Galime manyti, kad būtent susidūrimas su Theia atnešė lakiuosius elementus į Žemę ir galiausiai padarė ją tinkama gyvybei", — teigė Kruttasch. Profesorius Klaus Mezger iš Berno universiteto priduria, kad ši situacija pabrėžia atsitiktinių, stokastinių įvykių svarbą kuriant gyvybei palankias planetas: "Žemė savo dabartinio gyvybingumo neįgijo lėtu tęstiniu procesu, o greičiausiai dėl atsitiktinio įvykio — vėlyvo vandens turtingo kūno smūgio. Tai aiškiai parodo, kad gyvybei palankios sąlygos Visatoje nėra savaime suprantamos."
Šie rezultatai turi tolimas pasekmes: jeigu žemės tipo planetos gyvenamumas iš esmės priklauso nuo retų vėlyvų volatilių tiekimo įvykių, tada gyvybei tinkamų planetų skaičius gali būti gerokai mažesnis nei prognozuoja modeliai, prielaida, kuriuose volatilių pasiskirstymas yra vienodas. Tai daro didelę įtaką ir anksčiau priimtoms prielaidoms apie gyvenamumą kitose žvaigždžių sistemose.
Platesnė reikšmė: planetų formavimasis ir gyvybingų pasaulių paieška
Jei Žemės gyvybingumas iš tikrųjų priklauso nuo retų vėlyvų volatilių pristatymo, tuomet gyvybei palankios planetos gali būti retesnės nei manyta. Tyrimas suteikia svarbių įžvalgų egzoplanetų mokslui, nurodydamas, kad potencialiai tinkamų gyventi akmeninių planetų aptikimas reikalauja ne tik paviršiaus ar masės parametrų, bet ir žinių apie jų akrecijos istoriją ir galimų vėlyvųjų smūgių dinamiką.
Tyrimas taip pat apriboja planetų formavimosi dinaminius modelius ir nurodo, kokiomis sąlygomis volatiliūs, ledingi kūnai gali migravę į vidinę sistemą. Tokie modeliai turi atsižvelgti ne tik į pirminę medžiagos distribuciją diske, bet ir į planetų migracijos mechanizmus, orbitalines perturbacijas bei tarpusavio susidūrimus perkaminančius tolimesnį chemijos pasiskirstymą.
Ateities darbai sutelks dėmesį į detalesnį Theia smūgio modeliavimą, bandant atkartoti ne tik fizinius rezultatus (Žemės-Mėnulio masių santykį ir kampinį momentą), bet ir cheminius bei izotopinius parašus, išsaugotus tiek žemės, tiek Mėnulio uolienose. Tobulesni modeliai kartu su tęstiniais meteoritų ir mėnulinės medžiagos izotopiniais matavimais leis patikrinti, ar Theia smūgio hipotezė iš tiesų gali pilnai paaiškinti Žemės volatilių biudžetą.
Be to, platesnės tarptautinės komandos tyrimai gali integruoti geocheminius duomenis su kosmine misijų informacija — pavyzdžiui, apie kometų ir asteroidų sudėtį — taip geriau suprantant, kokių tipų kūnai galėjo būti volatilių šaltiniai.
Ekspertų įžvalgos
Dr. Elena Marquez, planetų mokslininkė Europos kosminiame agentūroje (kontekste nurodyta kaip fikcinė), komentuoja: "Šis tyrimas elegantiškai sujungia aukštos raiškos izotopinius laikrodžius su dinaminiu mąstymu. Jei šie rezultatai bus patvirtinti tolesnėmis izotopinėmis ribomis ir smūgių modeliavimu, jie sustiprins idėją, kad žemės tipo planetų gyvenamumas dažnai yra konkrečių, nepakartojamų įvykių produktas. Iš eksoplanetų stebėjimų perspektyvos tai reiškia, kad turėtume teikti prioritetą sistemoms, kuriose vėlyvojo etapo volatilių pristatymas yra dinamiškai tikėtinas."
Tokia ekspertų nuomonė pabrėžia, kad vien tik masės ir orbitoje esantys parametrai negali pilnai apibūdinti planeto potencialo tapti gyvybingu pasauliu. Reikia ir istorinių duomenų apie akreciją, migraciją bei didžiųjų susidūrimų dažnumą konkrečioje sistemoje.
Išvados
Berno universiteto tyrimas pažengė mūsų supratimą apie ankstyvąją Žemę, parodydamas, kad jos bendroji chemija buvo nustatyta greitai ir iš pradžių trūko gyvybei būtinų lakiojo tipo elementų. Vėlesnis, stokastinis smūgis su vandens turtingu kūnu — Theia — išlieka įtikinamiausiu paaiškinimu, kaip Žemė įgijo savo vandenynus ir atmosferą, tinkamą gyvybei. Šie rezultatai išryškina laiko ir atsitiktinumo svarbą planetų gyvenamume, turėdami tiesioginių pasekmių planetų formavimosi modeliams ir gyvybės už Saulės ribų paieškai.
Galiausiai, toks požiūris skatina derinti geocheminius duomenis, aukštos raiškos izotopines technologijas ir dinaminį modeliavimo darbą, kad būtų pilnesnis vaizdas apie tai, kaip retai ar dažnai Visatoje gali atsirasti sąlygos, palankios gyvenimui. Ateities instrumentai ir misijos, tarpdisciplininė analizė bei tęstiniai meteoritų bei mėnulinės medžiagos tyrimai galės patikslinti šį vaizdą ir atskleisti papildomas detales apie mūsų planetos unikalią istoriją.
Šaltinis: sciencedaily
Palikite komentarą