Mantle neon oplyser Jordens formation

Jorden dannedes relativt hurtigt fra skyen af ​​støv og gas omkring Solen, fanger vand og gasser i planetens kappe, ifølge forskning offentliggjort 5. december i tidsskriftet Natur . Udover at afgøre Jordens oprindelse, arbejdet kunne hjælpe med at identificere ekstrasolare systemer, der kunne understøtte beboelige planeter.

Ved at trække på data fra jordens dybder til det dybe rum, University of California Davis Professor Sujoy Mukhopadhyay og postdoc-forsker Curtis Williams brugte neonisotoper til at vise, hvordan planeten blev dannet.

"Vi forsøger at forstå, hvor og hvordan neon i Jordens kappe blev erhvervet, som fortæller os, hvor hurtigt planeten blev dannet og under hvilke forhold, " sagde Williams.

Neon er faktisk en stand-in for, hvor gasser som vand, kuldioxid og nitrogen kom fra, sagde Williams. I modsætning til disse forbindelser, der er essentielle for livet, neon er en inert ædelgas, og det er ikke påvirket af kemiske og biologiske processer.

"Så neon holder et minde om, hvor det kom fra, selv efter fire og en halv milliard år, " sagde Mukhopadhyay.

Der er tre konkurrerende ideer om, hvordan Jorden blev dannet af en protoplanetarisk skive af støv og gas for over fire milliarder år siden, og hvordan vand og andre gasser blev leveret til den voksende Jord. Først og fremmest, planeten voksede relativt hurtigt over to til fem millioner år og fangede gas fra tågen, den hvirvlende sky af støv og gas, der omgiver den unge Sol. Den anden teori antyder, at støvpartikler blev dannet og blev bestrålet af Solen i nogen tid, før de kondenserede til miniatureobjekter kaldet planetesimaler, der efterfølgende blev leveret til den voksende planet. I den tredje mulighed, Jorden dannedes relativt langsomt, og gasser blev leveret af kulstofholdige kondritmeteoritter, der er rige på vand, kulstof og nitrogen.

Disse forskellige modeller har konsekvenser for, hvordan den tidlige Jord var, sagde Mukhopadhyay. Hvis Jorden hurtigt dannedes ud af soltågen, det ville have haft meget brint ved eller nær overfladen. Men hvis Jorden blev dannet af kulholdige kondritter, dets brint ville være kommet i den mere oxiderede form, vand.

Neon fra havbunden til det dybe rum

For at finde ud af, hvilken af ​​de tre konkurrerende ideer om planetdannelse og levering af gasser, der var korrekte, Williams og Mukhopadhyay målte nøjagtigt forholdet mellem neonisotoper, der var fanget i jordens kappe, da planeten blev dannet. Neon har tre isotoper, neon-20, 21 og 22. Alle tre er stabile og ikke-radioaktive, men neon-21 dannes ved radioaktivt henfald af uran. Så mængderne af neon-20 og 22 i Jorden har været stabile siden planetens dannelse og vil forblive det for evigt, men neon-21 akkumuleres langsomt over tid. De tre scenarier for Jordens dannelse forventes at have forskellige forhold mellem neon-20 og neon-22.

Det tætteste de kunne komme på kappen var at se på klipper kaldet pudebasalter på havbunden. Disse glasagtige klipper er resterne af strømme fra dybt inde i Jorden, der væltede ud og afkølede i havet, senere for at blive indsamlet af en boreekspedition ledet af University of Rhode Island, som gør sin samling tilgængelig for andre videnskabsmænd.

Gasserne findes i små bobler i basalten. Ved hjælp af en presse, Williams knækkede basaltchips i et forseglet kammer, lader gasserne strømme ind i et følsomt massespektrometer.

Nu til pladsdelen. Tidligere forskere etablerede neonisotopforholdet for modellen "soltågen" (tidlig hurtig dannelse) med data fra Genesis-missionen, som fangede partikler af solvinden. Data for "bestrålede partikler"-modellen kom fra analyser af månens jordbund og af meteoritter. Endelig, kulstofholdige kondritmeteoritter leverede data til modellen "sen tilvækst".

Minimumsstørrelse for en beboelig planet

De isotopforhold, de fandt, var langt over dem for modellerne "bestrålede partikler" eller "sen tilvækst", Williams sagde, og understøtte hurtig tidlig dannelse.

"Dette er en klar indikation af, at der er nebulær neon i den dybe kappe, " sagde Williams.

Neon, Husk, er en markør for de andre flygtige forbindelser. Brint, vand, kuldioxid og nitrogen ville have kondenseret til jorden på samme tid - alle ingredienser, der så vidt vi ved, gå ind i at skabe en beboelig planet.

Resultaterne antyder, at for at absorbere disse vitale forbindelser, en planet skal nå en vis størrelse – på størrelse med Mars eller lidt større – før soltågen forsvinder. Observationer af andre solsystemer viser, at dette tager omkring to til tre millioner år, sagde Williams.

Sker den samme proces omkring andre stjerner? Observationer fra Atacama Large Millimeter Array, eller ALMA, observatorium i Chile foreslår, at det gør, sagde forskerne.

ALMA bruger en række af 66 radioteleskoper, der fungerer som et enkelt instrument til at afbilde støv og gas i universet. Den kan se de planetdannende skiver af støv og gas omkring nogle nærliggende stjerner. I nogle tilfælde, der er mørke bånd i de diske, hvor støv er blevet opbrugt.

"Der er et par måder, hvorpå støv kan blive opbrugt fra disken, og en af ​​dem er, at de danner planeter, " sagde Williams.

"Vi kan observere planetdannelse i en gasskive i andre solsystemer, og der er en lignende registrering af vores eget solsystem bevaret i Jordens indre, " sagde Mukhopadhyay. "Dette kan være en almindelig måde, hvorpå planeter kan dannes andre steder."