Geolozi u utrobi planete otkrili prve dokaze o ostacima prvobitne proto-Zemlje

Naučnici sa Instituta za tehnologiju u Masačusetsu (MIT) zajedno sa međunarodnim timom stručnjaka otkrili su izuzetno retke ostatke proto-Zemlje, koja je nastala pre oko 4,5 milijardi godina, pre nego što je sudar ogromnih razmera nepovratno izmenio sastav prvobitne planete i stvorio Zemlju kakvu danas poznajemo.

Njihova otkrića, objavljena u časopisu Nature Geosciences, pomoći će naučnicima da rekonstruišu prvobitne sastojke koji su oblikovali ranu Zemlju i ostatak Sunčevog sistema.

Pre više milijardi godina, rani Sunčev sistem bio je vrtlog gasa i prašine koji se postepeno skupljao i spajao u najranije meteorite. Ti meteoriti su se zatim međusobno sudarali i sjedinili, formirajući proto-Zemlju i njene susedne planete.

U toj početnoj fazi, Zemlja je verovatno bila stenovita i prekrivena ključalom lavom. Zatim, manje od 100 miliona godina kasnije, meteor veličine Marsa udario je u mladu planetu u jedinstvenom „događaju velikog udara“ koji je potpuno preoblikovao i istopio njenu unutrašnjost, praktično resetujući njen hemijski sastav.

Smatralo se da je tada sav prvobitni materijal od kojeg je nastala proto-Zemlja bio u potpunosti transformisan.

Ali otkrića tima sa MIT-a sugerišu suprotno. Istraživači su identifikovali hemijski potpis u drevnim stenama koji se razlikuje od većine materijala pronađenih na Zemlji danas. Taj potpis se ogleda u suptilnoj neravnoteži izotopa kalijuma otkrivenoj u uzorcima veoma starih i dubokih stena. Tim je utvrdio da se ta neravnoteža kalijuma nije mogla stvoriti nijednim poznatim velikim udarom niti geološkim procesima koji se trenutno dešavaju u Zemlji.

Najverovatnije objašnjenje za hemijski sastav tih uzoraka jeste da predstavljaju preostali materijal iz proto-Zemlje koji je nekim čudom ostao nepromenjen, iako je najveći deo planetarnog sastava transformisan.

„Ovo je možda prvi direktan dokaz da su sačuvani materijali iz proto-Zemlje. Vidimo deo veoma drevne Zemlje, čak iz perioda pre velikog udara. To je neverovatno jer bismo očekivali da će taj vrlo rani potpis s vremenom nestati kroz evoluciju Zemlje“, kaže Nikol Ni, docent na Odseku za nauke o Zemlji i planetama na MIT-u.

Koautori studije su i Da Vang sa Univerziteta za tehnologiju u Čengduu u Kini, Stiven Šajri i Ričard Karlson iz Karnegi instituta za nauku u Vašingtonu, Bredli Piters sa Instituta ETH u Cirihu i Džejms Dej sa Instituta za okeanografiju Skrips u Kaliforniji.

Zanimljiva anomalija

Godine 2023. Ni i njene kolege analizirale su mnoge glavne meteorite prikupljene sa različitih lokacija širom sveta. Ti meteoriti su verovatno nastali u različitim delovima Sunčevog sistema i u različitim periodima, pa predstavljaju zapise o promenama uslova u Sunčevom sistemu tokom vremena. Kada su istraživači uporedili hemijski sastav tih meteorita sa Zemljom, otkrili su „anomaliju izotopa kalijuma“.

Izotopi su različite verzije istog elementa, sa istim brojem protona, ali drugačijim brojem neutrona. Element kalijum postoji u tri prirodna izotopa, sa masenim brojevima 39, 40 i 41. Gde god se kalijum pronađe na Zemlji, on ima karakterističan odnos tih izotopa – kalijum-39 i kalijum-41 preovlađuju, dok je kalijum-40 prisutan u veoma malom procentu.

Ni i njen tim otkrili su da meteoriti pokazuju odnose izotopa kalijuma koji se razlikuju od većine materijala na Zemlji. Ta anomalija ukazuje da svaki materijal sa sličnim potpisom verovatno potiče iz vremena pre formiranja današnje Zemlje.

Drugim rečima, svaki disbalans izotopa kalijuma mogao bi biti snažan pokazatelj materijala iz proto-Zemlje, pre nego što je veliki udar resetovao hemijski sastav planete.

„U tom istraživanju otkrili smo da različiti meteoriti imaju različite izotopske potpise kalijuma, što znači da se kalijum može koristiti kao trag za praćenje građevinskih blokova Zemlje“, objašnjava Ni.

„Sastavljena drugačije“

U novoj studiji, tim je tražio tragove kalijumskih anomalija ne u meteoritima, već unutar same Zemlje. Njihovi uzorci uključuju prah stena iz Grenlanda i Kanade, gde se nalaze neke od najstarijih sačuvanih stena na svetu.

Takođe su analizirali lave prikupljene na Havajima, gde vulkani izbacuju materijal iz dubokih slojeva Zemljinog omotača – najdebljeg sloja između kore i jezgra.

„Ako je ovaj kalijumski potpis zaista sačuvan, tražili bismo ga u dubokoj prošlosti i u dubokoj Zemlji“, dodaje Ni.

Tim je rastvorio uzorke u kiselini, pažljivo izolovao kalijum i pomoću specijalnog masenog spektrometra izmerio odnos tri izotopa kalijuma. Iznenađujuće, identifikovali su izotopski potpis koji se razlikuje od onoga što se obično nalazi u materijalima na Zemlji.

Konkretno, otkrili su manjak izotopa kalijum-40. Iako je taj izotop već retkost, njihovi uzorci sadržali su još manji procenat, kao da ste u kanti žutog peska pronašli samo jedno zrno braon peska.

Tim je potvrdio da uzorci zaista pokazuju taj manjak kalijuma-40, što znači da su „sastavljeni drugačije“ u poređenju sa većinom današnjih zemaljskih materijala.

Da bi proverili da li bi to mogli biti ostaci proto-Zemlje, istraživači su pretpostavili da jeste. Zatim su simulirali kako bi se hemijski sastav menjao tokom velikog udara, manjih meteoritskih udara i dugotrajnih geoloških procesa poput zagrevanja i mešanja omotača. Na kraju, simulacije su proizvele sastav sa nešto većim udelom kalijuma-40, sličan većini savremenih materijala na Zemlji.

Ovaj rad ukazuje da materijali sa manjkom kalijuma-40 verovatno predstavljaju preostali, originalni materijal iz proto-Zemlje.

Zanimljivo je da potpis tih uzoraka ne odgovara nijednom poznatom meteoritu u kolekcijama geologa. Iako su meteoriti iz prethodnih istraživanja pokazivali kalijumske anomalije, nijedan ne sadrži baš isti deficit kao proto-Zemljini uzorci. To znači da meteoriti i materijali od kojih je prvobitno nastala proto-Zemlja još uvek nisu pronađeni.

„Naučnici godinama pokušavaju da razumeju prvobitni hemijski sastav Zemlje kombinujući sastave različitih grupa meteorita. Ali naše istraživanje pokazuje da trenutni inventar meteorita nije potpun i da još mnogo toga treba otkriti o tome odakle naša planeta zapravo potiče“, ističe Ni.