Fra stjernestøv til lyseblå prik:Carbons interstellare rejse til Jorden

Vi er lavet af stjernestøv, ordsproget siger, og et par undersøgelser, herunder University of Michigan-forskning, viser, at det kan være mere sandt, end vi tidligere troede.

Den første undersøgelse, ledet af UM-forsker Jie (Jackie) Li og udgivet i Videnskab fremskridt , finder ud af, at det meste af kulstoffet på Jorden sandsynligvis blev leveret fra det interstellare medium, det materiale, der findes i rummet mellem stjerner i en galakse. Dette skete sandsynligvis længe efter den protoplanetariske skive, skyen af ​​støv og gas, der kredsede om vores unge sol og indeholdt planeternes byggesten, dannet og varmet op.

Kulstof blev sandsynligvis også bundet til faste stoffer inden for en million år efter solens fødsel - hvilket betyder, at kulstof, rygraden i livet på jorden, overlevede en interstellar rejse til vores planet.

Tidligere, forskere troede, at kulstof i Jorden kom fra molekyler, der oprindeligt var til stede i tågegas, som derefter ophobede sig til en stenet planet, når gasserne var kølige nok til, at molekylerne kunne udfældes. Li og hendes team, som omfatter UM-astronomen Edwin Bergin, Geoffrey Blake fra California Institute of Technology, Fred Ciesla fra University of Chicago og Marc Hirschmann fra University of Minnesota, påpege i denne undersøgelse, at de gasmolekyler, der bærer kulstof, ikke ville være tilgængelige til at bygge Jorden, fordi når kulstof fordamper, det kondenserer ikke tilbage til et fast stof.

"Kondensmodellen har været meget brugt i årtier. Den antager, at under dannelsen af ​​solen, alle planetens elementer blev fordampet, og da disken kølede af, nogle af disse gasser kondenserede og leverede kemiske ingredienser til faste legemer. Men det virker ikke for kulstof, " sagde Li, en professor i U-M Institut for Jord- og Miljøvidenskab.

Meget kulstof blev leveret til skiven i form af organiske molekyler. Imidlertid, når kulstof fordampes, det producerer meget mere flygtige arter, der kræver meget lave temperaturer for at danne faste stoffer. Vigtigere, kulstof kondenserer ikke tilbage til en organisk form. På grund af dette, Li og hendes hold udledte, at det meste af Jordens kulstof sandsynligvis var arvet direkte fra det interstellare medium, helt undgå fordampning.

For bedre at forstå, hvordan Jorden erhvervede sit kulstof, Li estimerede den maksimale mængde kulstof, som Jorden kunne indeholde. At gøre dette, hun sammenlignede, hvor hurtigt en seismisk bølge bevæger sig gennem kernen med kernens kendte lydhastigheder. Dette fortalte forskerne, at kulstof sandsynligvis udgør mindre end en halv procent af Jordens masse. At forstå de øvre grænser for, hvor meget kulstof Jorden kan indeholde, fortæller forskerne oplysninger om, hvornår kulstoffet kan være blevet leveret her.

"Vi stillede et andet spørgsmål:Vi spurgte, hvor meget kulstof kunne du fylde i Jordens kerne og stadig være i overensstemmelse med alle begrænsningerne, " sagde Bergin, professor og formand for U-M Institut for Astronomi. "Der er usikkerhed her. Lad os omfavne usikkerheden for at spørge, hvad der er de sande øvre grænser for, hvor meget kulstof der er meget dybt i Jorden, og det vil fortælle os det sande landskab, vi befinder os i."

En planets kulstof skal eksistere i det rigtige forhold for at understøtte livet, som vi kender det. For meget kulstof, og Jordens atmosfære ville være som Venus, fanger varmen fra solen og opretholder en temperatur på omkring 880 grader Fahrenheit. For lidt kulstof, og Jorden ville ligne Mars:et ugæstfrit sted, der ikke er i stand til at understøtte vandbaseret liv, med temperaturer omkring minus 60.

I en anden undersøgelse af samme gruppe forfattere, men ledet af Hirschmann fra University of Minnesota, forskerne så på, hvordan kulstof behandles, når de små forstadier til planeter, kendt som planetesimals, bevarer kulstof under deres tidlige dannelse. Ved at undersøge de metalliske kerner i disse kroppe, nu bevaret som jernmeteoritter, de fandt ud af, at under dette vigtige trin af planetarisk oprindelse, meget af kulstoffet skal gå tabt, når planetesimalerne smelter, danner kerner og mister gas. Dette ophæver tidligere tankegang, siger Hirschmann.

"De fleste modeller har kulstof og andre livsnødvendige materialer såsom vand og nitrogen, der går fra tågen ind i primitive klippelegemer, og disse bliver derefter leveret til voksende planeter såsom Jorden eller Mars, sagde Hirschmann, professor i jord- og miljøvidenskab. "Men dette springer et vigtigt skridt over, hvor planetesimalerne mister meget af deres kulstof, før de ophobes til planeterne."

Hirschmanns undersøgelse blev for nylig offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Planeten har brug for kulstof for at regulere sit klima og tillade liv at eksistere, men det er en meget sart ting, " sagde Bergin. "Du vil ikke have for lidt, men du vil ikke have for meget."

Bergin siger, at de to undersøgelser både beskriver to forskellige aspekter af kulstoftab - og antyder, at kulstoftab ser ud til at være et centralt aspekt i at konstruere Jorden som en beboelig planet.

"At svare på, om jordlignende planeter eksisterer andre steder, kan kun opnås ved at arbejde i skæringspunktet mellem discipliner som astronomi og geokemi, " sagde Ciesla, en U. of C. professor i geofysiske videnskaber. "Mens tilgange og de specifikke spørgsmål, som forskere arbejder på at besvare, er forskellige på tværs af felterne, at opbygge en sammenhængende historie kræver at identificere emner af fælles interesse og finde måder at bygge bro mellem de intellektuelle kløfter mellem dem. At gøre det er udfordrende, men indsatsen er både stimulerende og givende."

Blake, en medforfatter på begge studier og en Caltech-professor i kosmokemi og planetarisk videnskab, og kemi, siger, at denne form for tværfagligt arbejde er kritisk.

"Alene gennem historien om vores galakse, klippeplaneter som Jorden eller lidt større er blevet samlet flere hundrede millioner gange omkring stjerner som Solen, " sagde han. "Kan vi udvide dette arbejde til at undersøge kulstoftab i planetsystemer mere bredt? Sådan forskning vil tage et mangfoldigt fællesskab af forskere."