Az MIT és más intézmények kutatói rendkívül ritka maradványokat fedeztek fel, amelyek a „proto-Földből”, egy körülbelül 4,5 milliárd évvel ezelőtt keletkezett égitestből származhatnak, amelynek aztán egy hatalmas ütközés visszafordíthatatlanul megváltoztatta összetételét, létrehozva a mai Földet. A Nature Geosciences folyóiratban nemrégiben közzétett eredmények segíthetnek rekonstruálni azokat az ősi, eredeti összetevőket, amelyekből a korai Föld és a Naprendszer többi része kialakult.
Több milliárd évvel ezelőtt a korai Naprendszer egy kavargó gázból és porból álló korong volt, amelynek anyaga végül csomókba tömörödött és összehúzódott, így kialakítva a legkorábbi égitesteket, amelyek aztán egymásnak ütközve összeolvadtak, létrehozva ezzel a proto-Földet és a szomszédos bolygókat.
Ebben a korai fázisban a Föld valószínűleg kőzetanyagú volt, de láva bugyogott a felszínén. Aztán nem egészen 100 millió évvel később egy Mars méretű másik égitest csapódott a fiatal bolygóba egy különleges, óriási esemény során, amely teljesen összekeverte és megolvasztotta a bolygó belsejét, gyakorlatilag totálisan átalakítva kémiai összetételét. A kutatók sokáig úgy gondolták, hogy a proto-Földet alkotó eredeti anyag teljesen átalakult, és sehol nem maradt meg eredeti formájában.
Az MIT csapata azonban az új vizsgálat során más eredményre jutott. A kutatók olyan kémiai jeleket azonosítottak az ősi kőzetekben, amelyek eltérnek a mai Földön található legtöbb anyagtól. Ezek a nyomok nagyon ősi és nagyon mélyen fekvő kőzetek mintáiban jelennek meg, és a káliumizotópok egyensúlyában lévő finom szabálytalanságokban érhetők tetten. A csapat megállapítása szerint a kálium egyensúlyának feltárt hiányát nem okozhatta semmilyen korábbi nagy becsapódás vagy a Földön jelenleg zajló geológiai folyamat.
A minták kémiai összetételének legvalószínűbb magyarázata az, hogy ezek a proto-Földről megmaradt anyagok, amelyek valamilyen módon változatlanok megőrződtek, még akkor is, amikor a korai bolygó nagy része drasztikusan átalakult a becsapódás eredményeként.
„Ez talán az első közvetlen bizonyíték arra, hogy a proto-Föld anyagai megmaradtak” – mondja Nicole Nie, az MIT Föld- és bolygótudományi tanszékének munkatársa. „Látunk egy darabot a nagyon ősi Földből, még az óriási becsapódás előttről. Ez elképesztő, mert azt várnánk, hogy ez a nagyon korai jel lassan eltűnt a Föld evolúciója során.”
Egy furcsa anomália
2023-ban Nie és kollégái (Da Wang a kínai Chengdu Műszaki Egyetem, Steven Shirey és Richard Carlson a Carnegie Tudományos Intézet, Bradley Peters a svájci ETH és James Day a Scripps Oceanográfiai Intézet kutatója) a világ különböző helyszíneiről gyűjtött és korábban is gondosan tanulmányozott főbb meteoritok nagy részét ismételt elemzésnek vetették alá. Mielőtt a Földre zuhantak, ezek a meteoritok a Naprendszer különböző korszakaiban és helyein keletkeztek, ezért jól tükrözik a Naprendszer időbeli változásait. Amikor a kutatók összehasonlították ezeknek a mintáknak a kémiai összetételét a Földével, egy érdekes anomáliát azonosítottak a káliumizotópok kapcsán.
Az izotópok egy elem kissé eltérő változatai, amelyekben a protonok száma megegyezik, de neutronoké eltérő. A káliumnak három természetesen előforduló izotópja létezik, amelyek tömegszáma (a protonok és a neutronok számának összege) rendre 39, 40 és 41. Bárhol is találtak káliumot a Földön, abban az izotópok jellegzetes kombinációjában léteznek, amit a kálium-39 és a kálium-41 túlsúlya jellemez. A kálium-40 is jelen van, de a másik kettőhöz képest elenyészően kis százalékban.
Nie és kollégái felfedezték, hogy a vizsgált meteoritok káliumizotóp-egyensúlya eltér a Földön található legtöbb anyagétól. Ez a kálium-anomália arra utal, hogy minden anyag, amely hasonló anomáliát mutat, valószínűleg a Föld jelenlegi összetételét megelőzően keletkezett. Más szavakkal, minden kálium-egyensúlyhiány erőteljes jele lehet a proto-Földről származó anyag jelenlétének, mielőtt a hatalmas becsapódás megváltoztatta a bolygó kémiai összetételét.
„Ebben a vizsgálatban úgy találtuk, hogy a különböző meteoritok különböző káliumizotóp-jellegzetességekkel rendelkeznek, ami azt jelenti, hogy a kálium a Föld építőelemeinek nyomjelzőjeként használható”
– magyarázza Nie.
Máshogy összegyúrva
Legújabb kutatásukban a csapat tagjai már nem a meteoritokban, hanem a Földön keresték a kálium-anomáliák jeleit. Mintáik között szerepeltek grönlandi és kanadai por formátumú kőzetek, ahol a legrégebbi megőrződött kőzetek találhatók. Elemezték a Hawaii-szigetekről gyűjtött lávalerakódásokat is, ahol a vulkánok a Föld legkorábbi, legmélyebb anyagaiból hoztak fel anyagokat a köpenyből.
„Ha ez a káliumjel megőrződött, azt a régmúltban, a Föld mély rétegeiben szerettük volna azonosítani” – mondja Nie. A csapat először savban oldotta fel a különböző pormintákat, majd gondosan elkülönítette a káliumot a minta többi részétől, és egy speciális tömegspektrométerrel megmérte a kálium három izotópjának arányát. Érdekes módon a mintákban olyan izotópjelet azonosítottak, amely eltért a Föld legtöbb anyagában jellemzőtől.
Konkrétan a kálium-40 izotóp szinte teljes hiányát tárták fel. A Földön található legtöbb anyagban ez az izotóp már eleve elhanyagolható mennyiségben van jelen a kálium másik két izotópjához képest. A kutatók azonban megállapították, hogy a mintákban még ennél is sokkal kisebb százalékban volt jelen a kálium-40. Ez a hiány olyan, mintha fehér homokkal teli vödörben egyetlen barna homokszemet találnánk, szemben egy kis lapátnyival, ami egyébként jellemző.
A csapat megállapította, hogy a minták valóban a kálium-40 hiányát mutatják, ami azt jelenti, hogy az anyagok másképp épültek fel, mint a Földön ma található anyagok többsége.
Egy ősi Föld nyomában
De lehetnek-e a minták a proto-Föld ritka maradványai? A válasz megadásához a kutatók feltételezték, hogy ez a helyzet. Arra a következtetésre jutottak, hogy ha a proto-Föld eredetileg ilyen kálium-40-hiányos anyagokból állt, akkor ennek az anyagnak a nagy része kémiai változásokon ment keresztül – az óriási becsapódás és az azt követő kisebb meteoritbecsapódások következtében –, amelyek végül a mai, több kálium-40-et tartalmazó anyagok kialakulásához vezettek.
A csapat minden ismert meteorit összetételére vonatkozó adatokat felhasználva szimulációkat végzett azzal kapcsolatban, hogy a minták kálium-40-hiánya hogyan változna ezeknek a meteoritok és az óriási becsapódás a hatására. Szimulálták azokat a geológiai folyamatokat is, amelyek a Földön az idők folyamán végbementek, például a köpeny felmelegedését és keveredését. Végül szimulációik eredményeként egy olyan összetételű anyagot kaptak, amelynek kálium-40-tartalma kissé magasabb volt, mint a kanadai, grönlandi és hawaii mintáké, de nagyban megegyezett a legtöbb modern anyag összetételével.
A munka tehát azt sugallja, hogy a kálium-40-hiányos anyagok valóban a proto-Föld eredeti anyagának maradványai lehetnek.
Érdekes módon a minták jellemzői nem egyeznek meg pontosan egyetlen geológiai gyűjteményben található meteorit összetételével sem. Bár a csapat korábbi munkájában szereplő meteoritok is kálium-anomáliákat mutattak, ezek nem pontosan megegyeznek a proto-Föld mintáiban tapasztalt hiányossággal. Ez pedig azt jelenti, hogy a proto-Földet eredetileg létrehozó meteoritok és anyagok még nem kerültek feltárásra.
„A kutatók különböző meteoritcsoportok összetételének összehasonlításával próbálják megérteni a Föld eredeti kémiai összetételét” – mondja Nie. „De vizsgálatunk azt mutatja, hogy a jelenlegi meteoritállomány nem teljes, és még nagyon sok mindent tanulhatunk bolygónk eredetéről.”
