Τα πρώτα στοιχεία για την ύπαρξη «πρωτο-Γης»
Καλλιτεχνική απεικόνιση της πρώιμης Γης με φωτιά, λάβα, ηφαίστεια και μετεωρίτες.«Αυτή είναι ίσως η πρώτη άμεση απόδειξη ότι έχουμε διατηρήσει τα υλικά της πρωτοΓης», λέει η Νικόλ Νι. Η εικονογράφηση ενός καλλιτέχνη δείχνει μια βραχώδη πρωτοΓη που βράζει από λάβα.Από MIT News; iStock.
Γεωλόγοι ανακαλύπτουν τα πρώτα στοιχεία για την ύπαρξη «πρωτο-Γης» 4,5 δισεκατομμυρίων ετών.
Υλικά από αρχαία πετρώματα θα μπορούσαν να αποκαλύψουν τις συνθήκες στο πρώιμο ηλιακό σύστημα που διαμόρφωσαν την πρώιμη Γη και άλλους πλανήτες.
Επιστήμονες στο MIT και αλλού ανακάλυψαν εξαιρετικά σπάνια υπολείμματα της «πρωτογενούς Γης», η οποία σχηματίστηκε πριν από περίπου 4,5 δισεκατομμύρια χρόνια, πριν από μια κολοσσιαία σύγκρουση που άλλαξε ανεπανόρθωτα τη σύνθεση του πρωτόγονου πλανήτη και παρήγαγε τη Γη όπως τη γνωρίζουμε σήμερα. Τα ευρήματά τους, που δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Nature Geosciences , θα βοηθήσουν τους επιστήμονες να συνδυάσουν τα αρχέγονα συστατικά που σφυρηλάτησαν την πρώιμη Γη και το υπόλοιπο ηλιακό σύστημα.
Πριν από δισεκατομμύρια χρόνια, το πρώιμο ηλιακό σύστημα ήταν ένας στροβιλιζόμενος δίσκος αερίου και σκόνης που τελικά συσσωρεύτηκε σχηματίζοντας τους πρώτους μετεωρίτες, οι οποίοι με τη σειρά τους συγχωνεύθηκαν σχηματίζοντας την πρωτοΓη και τους γειτονικούς της πλανήτες.
Σε αυτή την πρώιμη φάση, η Γη ήταν πιθανότατα βραχώδης και έβγαζε φουσκάλες από λάβα. Στη συνέχεια, λιγότερο από 100 εκατομμύρια χρόνια αργότερα, ένας μετεωρίτης στο μέγεθος του Άρη χτύπησε τον νεογέννητο πλανήτη σε ένα μοναδικό συμβάν «γιγαντιαίας πρόσκρουσης» που ανακάτεψε και έλιωσε εντελώς το εσωτερικό του πλανήτη, επαναφέροντας ουσιαστικά τη χημεία του. Όποιο και αν είναι το αρχικό υλικό από το οποίο ήταν φτιαγμένη η πρωτο-Γη, θεωρούνταν ότι είχε μεταμορφωθεί εντελώς.
Ωστόσο, τα ευρήματα της ομάδας του MIT υποδηλώνουν το αντίθετο. Οι ερευνητές έχουν εντοπίσει μια χημική υπογραφή σε αρχαία πετρώματα που είναι μοναδική από τα περισσότερα άλλα υλικά που βρίσκονται στη Γη σήμερα. Η υπογραφή έχει τη μορφή μιας ανεπαίσθητης ανισορροπίας στα ισότοπα καλίου που ανακαλύφθηκε σε δείγματα πολύ παλαιών και πολύ βαθιών πετρωμάτων. Η ομάδα διαπίστωσε ότι η ανισορροπία καλίου δεν θα μπορούσε να έχει προκληθεί από προηγούμενες μεγάλες συγκρούσεις ή γεωλογικές διεργασίες που συμβαίνουν στη Γη αυτή τη στιγμή.
Η πιο πιθανή εξήγηση για τη χημική σύνθεση των δειγμάτων είναι ότι πρέπει να είναι υλικό που έχει απομείνει από την πρωτοΓη και το οποίο με κάποιο τρόπο παρέμεινε αμετάβλητο, ακόμη και όταν το μεγαλύτερο μέρος του πρώιμου πλανήτη επηρεάστηκε και μετασχηματίστηκε.
«Αυτή είναι ίσως η πρώτη άμεση απόδειξη ότι έχουμε διατηρήσει τα πρωτογήινα υλικά», λέει η Nicole Nie, Επίκουρη Καθηγήτρια Γης και Πλανητικών Επιστημών στο MIT, στην έδρα Paul M. Cook, η οποία είναι υπεύθυνη για την επαγγελματική εξέλιξη της Γης. «Βλέπουμε ένα κομμάτι της πολύ αρχαίας Γης, ακόμη και πριν από την γιγαντιαία πρόσκρουση. Αυτό είναι εκπληκτικό, επειδή θα περιμέναμε αυτή η πολύ πρώιμη υπογραφή να σβηστεί αργά κατά την εξέλιξη της Γης».
Οι άλλοι συγγραφείς της μελέτης περιλαμβάνουν τον Da Wang του Τεχνολογικού Πανεπιστημίου Chengdu στην Κίνα, τους Steven Shirey και Richard Carlson του Ινστιτούτου Επιστημών Carnegie στην Ουάσινγκτον, τον Bradley Peters του ETH Zürich στην Ελβετία και τον James Day του Ινστιτούτου Ωκεανογραφίας Scripps στην Καλιφόρνια.
Μια περίεργη ανωμαλία
Το 2023, η Nie και οι συνάδελφοί της ανέλυσαν πολλούς από τους σημαντικότερους μετεωρίτες που έχουν συλλεχθεί από τοποθεσίες σε όλο τον κόσμο και έχουν μελετηθεί προσεκτικά. Πριν από την πρόσκρουση στη Γη, αυτοί οι μετεωρίτες πιθανότατα σχηματίστηκαν σε διάφορες χρονικές στιγμές και τοποθεσίες σε όλο το ηλιακό σύστημα και, ως εκ τούτου, αντιπροσωπεύουν τις μεταβαλλόμενες συνθήκες του ηλιακού συστήματος με την πάροδο του χρόνου. Όταν οι ερευνητές συνέκριναν τις χημικές συνθέσεις αυτών των δειγμάτων μετεωριτών με τη Γη, εντόπισαν μεταξύ τους μια «ισοτοπική ανωμαλία καλίου».
Τα ισότοπα είναι ελαφρώς διαφορετικές εκδοχές ενός στοιχείου που έχουν τον ίδιο αριθμό πρωτονίων αλλά διαφορετικό αριθμό νετρονίων. Το στοιχείο κάλιο μπορεί να υπάρχει σε ένα από τα τρία φυσικώς απαντώμενα ισότοπα, με μαζικούς αριθμούς (πρωτόνια συν νετρόνια) 39, 40 και 41, αντίστοιχα. Όπου έχει βρεθεί κάλιο στη Γη, υπάρχει σε έναν χαρακτηριστικό συνδυασμό ισοτόπων, με το κάλιο-39 και το κάλιο-41 να είναι συντριπτικά κυρίαρχα. Το κάλιο-40 υπάρχει, αλλά σε ένα εξαιρετικά μικρό ποσοστό σε σύγκριση.
Η Νι και οι συνάδελφοί της ανακάλυψαν ότι οι μετεωρίτες που μελέτησαν εμφάνιζαν ισορροπίες ισοτόπων καλίου που ήταν διαφορετικές από τα περισσότερα υλικά στη Γη. Αυτή η ανωμαλία καλίου υποδηλώνει ότι οποιοδήποτε υλικό που παρουσιάζει παρόμοια ανωμαλία πιθανότατα προηγείται της τρέχουσας σύνθεσης της Γης. Με άλλα λόγια, οποιαδήποτε ανισορροπία καλίου θα ήταν ένα ισχυρό σημάδι υλικού από την πρωτοΓη, πριν η γιγαντιαία πρόσκρουση επαναφέρει τη χημική σύνθεση του πλανήτη.
«Σε αυτή την εργασία, διαπιστώσαμε ότι διαφορετικοί μετεωρίτες έχουν διαφορετικές ισοτοπικές υπογραφές καλίου, και αυτό σημαίνει ότι το κάλιο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ιχνηθέτης των δομικών στοιχείων της Γης», εξηγεί η Νι.
«Χτισμένο διαφορετικά»
Στην τρέχουσα μελέτη, η ομάδα αναζήτησε σημάδια ανωμαλιών καλίου όχι σε μετεωρίτες, αλλά μέσα στη Γη. Τα δείγματά τους περιλαμβάνουν πετρώματα, σε μορφή σκόνης, από τη Γροιλανδία και τον Καναδά, όπου βρίσκονται μερικά από τα παλαιότερα διατηρημένα πετρώματα. Ανέλυσαν επίσης αποθέσεις λάβας που συλλέχθηκαν από τη Χαβάη, όπου τα ηφαίστεια έχουν αναδείξει μερικά από τα πρώτα, βαθύτερα υλικά της Γης από τον μανδύα (το παχύτερο στρώμα βράχου του πλανήτη που χωρίζει τον φλοιό από τον πυρήνα).
«Εάν αυτή η υπογραφή καλίου διατηρηθεί, θα θέλαμε να την αναζητήσουμε σε βάθος χρόνου και βαθιά στη Γη», λέει η Νι.
Η ομάδα αρχικά διέλυσε τα διάφορα δείγματα σκόνης σε οξύ, στη συνέχεια απομόνωσε προσεκτικά τυχόν κάλιο από το υπόλοιπο δείγμα και χρησιμοποίησε ένα ειδικό φασματόμετρο μάζας για να μετρήσει την αναλογία καθενός από τα τρία ισότοπα του καλίου. Αξιοσημείωτο είναι ότι εντόπισαν στα δείγματα μια ισοτοπική υπογραφή που ήταν διαφορετική από αυτή που έχει βρεθεί στα περισσότερα υλικά στη Γη.
Συγκεκριμένα, εντόπισαν ένα έλλειμμα στο ισότοπο κάλιο-40. Στα περισσότερα υλικά στη Γη, αυτό το ισότοπο αποτελεί ήδη ένα ασήμαντο κλάσμα σε σύγκριση με τα άλλα δύο ισότοπα του καλίου. Αλλά οι ερευνητές μπόρεσαν να διακρίνουν ότι τα δείγματά τους περιείχαν ακόμη μικρότερο ποσοστό καλίου-40. Η ανίχνευση αυτού του μικροσκοπικού ελλείμματος είναι σαν να εντοπίζεις έναν μόνο κόκκο καφέ άμμου σε έναν κουβά αντί για μια κουτάλα γεμάτη κίτρινη άμμο.
Η ομάδα διαπίστωσε ότι, πράγματι, τα δείγματα εμφάνιζαν έλλειμμα καλίου-40, δείχνοντας ότι τα υλικά «κατασκευάστηκαν διαφορετικά», λέει η Nie, σε σύγκριση με τα περισσότερα από αυτά που βλέπουμε στη Γη σήμερα.
Αλλά θα μπορούσαν τα δείγματα να είναι σπάνια υπολείμματα της πρωτο-Γης; Για να απαντήσουν σε αυτό το ερώτημα, οι ερευνητές υπέθεσαν ότι αυτό θα μπορούσε να ισχύει. Σκέφτηκαν ότι εάν η πρωτο-Γη ήταν αρχικά κατασκευασμένη από τέτοια υλικά με έλλειψη καλίου-40, τότε το μεγαλύτερο μέρος αυτού του υλικού θα είχε υποστεί χημικές αλλαγές - από τη γιγαντιαία πρόσκρουση και τις επακόλουθες, μικρότερες προσκρούσεις μετεωριτών - που τελικά οδήγησαν στα υλικά με περισσότερο κάλιο-40 που βλέπουμε σήμερα.
Η ομάδα χρησιμοποίησε δεδομένα σύνθεσης από κάθε γνωστό μετεωρίτη και πραγματοποίησε προσομοιώσεις για το πώς θα άλλαζε το έλλειμμα καλίου-40 των δειγμάτων μετά από τις συγκρούσεις αυτών των μετεωριτών και από τη γιγαντιαία πρόσκρουση. Προσομοίωσαν επίσης γεωλογικές διεργασίες που βίωσε η Γη με την πάροδο του χρόνου, όπως η θέρμανση και η ανάμειξη του μανδύα. Τελικά, οι προσομοιώσεις τους παρήγαγαν μια σύνθεση με ελαφρώς υψηλότερο κλάσμα καλίου-40 σε σύγκριση με τα δείγματα από τον Καναδά, τη Γροιλανδία και τη Χαβάη. Το πιο σημαντικό είναι ότι οι προσομοιωμένες συνθέσεις ταίριαζαν με αυτές των περισσότερων σύγχρονων υλικών.
Η εργασία υποδηλώνει ότι τα υλικά με έλλειμμα καλίου-40 είναι πιθανώς υπολείμματα αρχικού υλικού από την πρωτο-Γη.
Περιέργως, η υπογραφή των δειγμάτων δεν ταυτίζεται απόλυτα με κανέναν άλλο μετεωρίτη στις συλλογές των γεωλόγων. Ενώ οι μετεωρίτες στην προηγούμενη εργασία της ομάδας έδειξαν ανωμαλίες καλίου, δεν είναι ακριβώς το έλλειμμα που παρατηρείται στα δείγματα της πρωτογήινης εποχής. Αυτό σημαίνει ότι όποιοι μετεωρίτες και υλικά σχημάτισαν αρχικά την πρωτογήινη εποχή δεν έχουν ακόμη ανακαλυφθεί.
«Οι επιστήμονες προσπαθούν να κατανοήσουν την αρχική χημική σύνθεση της Γης συνδυάζοντας τις συνθέσεις διαφορετικών ομάδων μετεωριτών», λέει η Νι. «Ωστόσο, η μελέτη μας δείχνει ότι το τρέχον απόθεμα μετεωριτών δεν είναι πλήρες και υπάρχουν πολλά περισσότερα να μάθουμε για την προέλευση του πλανήτη μας».
Αυτή η εργασία υποστηρίχθηκε, εν μέρει, από τη NASA και το MIT.
Γεωδίφης με πληροφορίες από τη σελίδα news.mit.edu
https://news.mit.edu/2025/geologists-discover-first-evidence-45-billion-year-old-proto-earth-1014