Насколько сложно родить Землю? Собрать правильную смесь камня, металла и воды в приятном месте недалеко от звезды? В течение долгого времени планетологи считали, что Земля была результатом счастливой случайности, обогащенной водой и более легкими «летучими» элементами, такими как азот и углерод, благодаря астероидам, прилетевшим с внешних границ ранней Солнечной системы, где эти материалы были в изобилии. Но серия новых исследований, в том числе два опубликованных сегодня в Наукапредполагает, что все ингредиенты были гораздо ближе, когда родилась Земля.
Выводы, основанные на кропотливом химическом анализе метеоритов, подразумевают, что диски, формирующие планеты вокруг других звезд, также должны быть хорошо снабжены влажными каменистыми планетами, которые могут быть пригодными для жизни. «Это делает обогащение планеты летучими элементами более общим», — говорит Алессандро Морбиделли, планетолог из обсерватории Лазурного Берега, не участвовавший в новой работе. Он говорит, что даже если молодая планета не получает доставку из дальних уголков новорожденной планетарной системы, «это не меняет возможности для жизни».
Не так давно исследователи считали, что гигантский газопылевой диск, который вращался вокруг раннего Солнца более 4 миллиардов лет назад, имел довольно однородный состав. Но эта точка зрения была опровергнута исследованиями, в которых подсчитывались соотношения определенных изотопов, обнаруженных в десятках известных видов метеоритов. Они указали, что метеориты делятся на две основные группы, которые, вероятно, возникли в зонах на разном расстоянии от Солнца. Одна группа, известная как углеродистые хондриты, по-видимому, возникла во внешних пределах ранней Солнечной системы, за пределами прото-Юпитера и за «снежной линией» диска, где температура достаточно понизилась, чтобы позволить воде замерзнуть. Напротив, неуглеродистые хондриты образовались ближе к Солнцу. Изотопные сигнатуры также предполагали, что каждая зона питалась материалом, полученным из различных древних и далеких источников, таких как сверхновые звезды и красные гиганты.
До недавнего времени ученым удавалось обнаруживать первые изотопные отпечатки пальцев только в таких металлах, как хром, титан и молибден, которые достаточно прочны, чтобы противостоять теплу новорожденного Солнца. Близкое соответствие между соотношениями изотопов, обнаруженными в неуглеродистых хондритах, и соотношениями, обнаруженными в тех же металлах на Земле, позволяет предположить, что большая часть земного сырья поступала из того же близлежащего региона, что и эти метеориты.
Но ранние поиски изотопных доказательств того, что более легкие летучие элементы Земли также возникли поблизости, не увенчались успехом. «Люди просто начали думать [the evidence] не существовало», — говорит Райсса Мартинс, докторант геохимии Имперского колледжа Лондона (ICL). Таким образом, сохранялась традиционная точка зрения на происхождение этих элементов: предполагалось, что многие из них произошли из отдаленного источника, например, из внешней области диска, где они могли сконденсироваться, а затем быть втянутыми внутрь гравитацией формирующейся планеты, такой как как Юпитер.
Теперь, однако, метеоритное разделение было обнаружено в двух умеренно летучих элементах, калии и цинке. И результаты показывают, что большая часть, но не все летучие вещества планеты также поступили из неуглеродистого резервуара, говорит Николь Ни, планетолог из Калифорнийского технологического института и ведущий автор статьи, посвященной калию. «Это меняет правила игры для космохимии».
Работа была сложной, говорит Ни. Хотя в статье 2020 года было идентифицировано то, что выглядело как древние изотопные сигнатуры в метеоритном калии, в нем использовались только два изотопа калия, исключая гораздо более редкий калий-40, чью сигнатуру в масс-спектрометрах легко спутать с сигнатурами кальция или аргона. Имея всего два изотопа, невозможно было подтвердить, что то, что увидела команда, отражает химический состав первичного диска. Итак, Ни и ее команда измерили все три изотопа калия в 32 метеоритах. Они обнаружили, что калий в неуглеродистых породах имеет изотопную структуру, очень похожую на ту, что наблюдается на Земле. «Это было действительно удивительно, — говорит она. В совокупности результаты показали, что около 80% калия на Земле поступает из близлежащих источников.
Три другие команды обнаружили аналогичный сигнал в пяти стабильных изотопах цинка. Две группы опубликовано их выводы в Икар прошлое лето; работа третьей, возглавляемой Мартинсом, появится на этой неделе в Наука. «Выводы дополняют друг друга», — говорит Фредерик Муанье, космохимик из Института физики «Парижский глобус» и соавтор одной из работ. Икар изучение. «Я согласен со всем в [Science] бумаге, потому что она очень похожа на нашу бумагу». В целом, похоже, что половина или более земного цинка также поступила из внутренней части Солнечной системы.
Другие летучие элементы, вероятно, имели похожее происхождение, говорит геохимик ICL Марк Рекэмпер. «Цинк — это не вода. Но там, где у вас есть цинк, у вас будет больше воды». И хотя во вновь образованной внутренней Солнечной системе в целом было мало летучих элементов, их все же было достаточно для создания пригодного для жизни мира. «Вода была здесь почти с самого начала, — говорит Муанье.
По словам Торстена Кляйна, директора Института исследований Солнечной системы им. Макса Планка и соавтора одной из статей о цинке, теперь начнется охота за дополнительными летучими элементами, обладающими первичными отпечатками пальцев. «Честно говоря, мы только что написали предложения по этому поводу», — говорит он. Вооружившись достаточным количеством данных, особенно по элементам, которые, как известно, накапливаются на новорожденной планете на разных стадиях ее роста, «вы можете провести подробную реконструкцию того, как материал, из которого построена Земля, менялся с течением времени».
Это могло бы помочь решить другой вопрос, который десятилетиями беспокоил ученых-планетологов: как быстро были построены каменистые планеты. Они могли формироваться медленно, в течение десятков миллионов лет, когда более мелкие скалистые тела сталкивались друг с другом, или гораздо быстрее, когда разрушались огромные глыбы материала. Изотопы могут содержать подсказки — и не только для нашей Солнечной системы. Как становится ясно из новой работы, рецепт Земли вряд ли будет одноразовым.
