Hvordan planeter dannes styrer elementer, der er vigtige for liv

Udsigterne for liv på en given planet afhænger ikke kun af, hvor den dannes, men også hvordan, ifølge Rice University-forskere.

Planeter som Jorden, der kredser inden for et solsystems Guldlok-zone, med forhold, der understøtter flydende vand og en rig atmosfære, er mere tilbøjelige til at rumme liv. Det viser sig, hvordan denne planet kom sammen, afgør også, om den fangede og tilbageholdt visse flygtige grundstoffer og forbindelser, herunder nitrogen, kulstof og vand, der giver anledning til liv.

I en undersøgelse offentliggjort i Natur Geovidenskab , Ris-kandidatstuderende og hovedforfatter Damanveer Grewal og professor Rajdeep Dasgupta viser konkurrencen mellem den tid, det tager for materiale at samle sig til en protoplanet, og den tid, det tager protoplaneten at adskilles i sine særskilte lag - en metallisk kerne, en skal af silikatkappe og en atmosfærisk kappe i en proces kaldet planetarisk differentiering - er afgørende for at bestemme, hvilke flygtige elementer stenplaneten tilbageholder.

Brug af nitrogen som proxy for flygtige stoffer, forskerne viste, at det meste af nitrogen undslipper i atmosfæren på protoplaneter under differentiering. Dette nitrogen går efterfølgende tabt til rummet, da protoplaneten enten køler ned eller kolliderer med andre protoplaneter eller kosmiske legemer i det næste trin af dens vækst.

Denne proces udtømmer nitrogen i atmosfæren og kappen på klippeplaneter, men hvis den metalliske kerne holder nok, det kan stadig være en betydelig kilde til nitrogen under dannelsen af ​​jordlignende planeter.

Dasguptas højtrykslaboratorium i Rice fangede protoplanetarisk differentiering i aktion for at vise nitrogens affinitet mod metalliske kerner.

"Vi simulerede højtryks-temperaturforhold ved at udsætte en blanding af nitrogenbærende metal og silikatpulvere for næsten 30, 000 gange det atmosfæriske tryk og opvarme dem ud over deres smeltepunkter, " sagde Grewal. "Små metalliske klatter indlejret i silikatglassene i de genvundne prøver var de respektive analoger af protoplanetariske kerner og kapper."

Ved at bruge disse eksperimentelle data, forskerne modellerede de termodynamiske forhold for at vise, hvordan nitrogen fordeler sig mellem atmosfæren, smeltet silikat og kerne.

"Vi indså, at fraktionering af nitrogen mellem alle disse reservoirer er meget følsom over for kroppens størrelse, " sagde Grewal. "Ved at bruge denne idé, vi kunne beregne, hvordan nitrogen ville have adskilt mellem forskellige reservoirer af protoplanetariske legemer gennem tiden for endelig at bygge en beboelig planet som Jorden."

Deres teori tyder på, at råmaterialer til Jorden voksede hurtigt til omkring måne- og Mars-størrelse planetariske embryoner, før de afsluttede processen med at differentiere til det velkendte metal-silikat-gas-damparrangement.

Generelt, de anslår embryoner dannet inden for 1-2 millioner år efter begyndelsen af ​​solsystemet, langt hurtigere end den tid, det tog for dem at differentiere sig fuldstændigt. Hvis differentieringshastigheden var hurtigere end tilvæksthastigheden for disse embryoner, klippeplaneterne, der dannes af dem, kunne ikke have ophobet nok nitrogen, og sandsynligvis andre flygtige stoffer, afgørende for at udvikle forhold, der understøtter livet.

"Vores beregninger viser, at dannelse af en planet på størrelse med Jorden via planetariske embryoner, der voksede ekstremt hurtigt, før de undergår metal-silikat-differentiering, sætter en unik vej til at tilfredsstille Jordens nitrogenbudget, " sagde Dasgupta, hovedefterforskeren af ​​CLEVER Planets, et NASA-finansieret samarbejdsprojekt, der udforsker, hvordan livsessentielle elementer kan være kommet sammen på klippeplaneter i vores solsystem eller i fjerne, stenede exoplaneter.

"Dette arbejde viser, at nitrogen har meget større affinitet til kernedannende metallisk væske end tidligere antaget, " han sagde.

Undersøgelsen følger tidligere værker, en, der viser, hvordan påvirkningen fra et månedannende legeme kunne have givet Jorden meget af dets flygtige indhold, og en anden, der tyder på, at planeten fik mere af sit nitrogen fra lokale kilder i solsystemet end engang troede.

I sidstnævnte undersøgelse, Grewal sagde, "Vi viste, at protoplaneter, der vokser i både indre og ydre områder af solsystemet, ophobede nitrogen, og Jorden hentede sit nitrogen ved at samle protoplaneter fra begge disse regioner. Imidlertid, det var ukendt, hvordan jordens nitrogenbudget blev etableret."

"Vi fremsætter en stor påstand, der vil gå ud over blot emnet om oprindelsen af ​​flygtige grundstoffer og nitrogen, og vil påvirke et tværsnit af det videnskabelige samfund, der er interesseret i planetdannelse og vækst, " sagde Dasgupta.