Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) и их коллеги раскрыли исключительно редкие химические следы так называемой прото-Земли — древней предшественницы нашей планеты, существовавшей примерно 4,5 миллиарда лет назад. Этот примитивный мир сформировался до того, как катастрофическое столкновение навсегда изменило его химический состав и привело к появлению той Земли, на которой мы живем сегодня. Открытие, детально описанное 14 октября в журнале Nature Geosciences, может помочь ученым восстановить самые ранние компоненты, которые сформировали не только Землю, но и всю остальную часть Солнечной системы.
Многие миллиарды лет назад Солнечная система представляла собой огромное вращающееся облако газа и пыли. Со временем этот материал сконденсировался в твердые объекты, образуя первые метеориты. Эти метеориты постепенно сливались посредством многократных столкновений, что привело к образованию прото-Земли и соседних с ней планет.
В своей ранней стадии Земля была расплавленным миром, покрытым лавой. Менее чем через сто миллионов лет после своего зарождения она пережила катастрофическое событие, когда объект размером с Марс врезался в молодую планету. Ученые называют это событие «гигантским столкновением». Этот удар расплавил и перемешал внутренние слои планеты, уничтожив большую часть ее первоначальной химической идентичности. Десятилетиями ученые были убеждены, что любые следы прото-Земли были полностью уничтожены в этой космической катастрофе.
Однако новые результаты команды MIT бросают вызов этому предположению. Исследователи обнаружили необычную химическую сигнатуру в древних, глубинных образцах горных пород, которая отличается от большинства материалов, найденных на Земле сегодня. Эта сигнатура проявляется как небольшое отклонение в соотношении изотопов калия — атомов одного и того же элемента с разным числом нейтронов. После тщательного анализа ученые пришли к выводу, что аномалия не могла быть вызвана более поздними столкновениями или продолжающимися геологическими процессами внутри Земли.
Наиболее вероятное объяснение состоит в том, что эти породы сохранили крошечные фрагменты первоначального материала прото-Земли, каким-то образом пережившие насильственные преобразования планеты.
«Это, возможно, первое прямое доказательство того, что нам удалось сохранить материалы прото-Земли», — отмечает Николь Ни, доцент кафедры наук о Земле и планетах в Массачусетском технологическом институте. «Мы видим фрагмент самой древней Земли, еще до гигантского столкновения. Это удивительно, потому что мы ожидаем, что этот очень ранний след будет постепенно стираться в процессе эволюции Земли», — добавляет она.
Соавторами Ни стали Да Ван из Чэндуского университета технологии (Китай), Стивен Ширей и Ричард Карлсон из Института Карнеги за научные исследования (Вашингтон, округ Колумбия), Брэдли Питерс из ETH Zürich (Швейцария) и Джеймс Дэй из Института океанографии Скриппса (Калифорния).
В 2023 году Ни и ее команда изучили множество хорошо документированных метеоритов, собранных по всему миру. Эти метеориты образовались в разное время и в разных местах Солнечной системы, фиксируя изменения ее химического состава на протяжении миллиардов лет. Когда исследователи сравнили их состав с составом Земли, они заметили особую «калиевую изотопную аномалию».
Калий встречается в природе в трех изотопных формах — калий-39, калий-40 и калий-41, — каждая из которых немного отличается по атомной массе. На современной Земле преобладают калий-39 и калий-41, тогда как калий-40 существует лишь в ничтожных количествах. Однако метеориты демонстрировали изотопные соотношения, отличные от тех, что обычно наблюдаются на Земле.
Это открытие навело на мысль, что любое вещество, проявляющее такой же вид калиевого дисбаланса, должно происходить из материала, существовавшего до того, как гигантское столкновение изменило химический состав Земли. По сути, эта аномалия могла служить химическим «отпечатком» материи прото-Земли.
«В той работе мы обнаружили, что разные метеориты имеют разные изотопные сигнатуры калия, а это означает, что калий может быть использован в качестве индикатора строительных блоков Земли», — поясняет Ни.
В текущем исследовании команда искала признаки калиевых аномалий не в метеоритах, а внутри самой Земли. Их образцы включали породы в порошкообразном виде из Гренландии и Канады, где встречаются одни из самых древних сохранившихся пород. Они также анализировали отложения лавы, собранные на Гавайях, откуда вулканы выносят на поверхность некоторые из самых ранних, глубинных материалов мантии (самого толстого слоя пород планеты, разделяющего кору и ядро).
«Если этот калиевый след сохранился, мы должны искать его в глубоком прошлом и глубоко внутри Земли», — говорит Ни.
Сначала команда растворила различные порошковые образцы в кислоте, затем тщательно отделила калий от остальной части образца и использовала специальный масс-спектрометр для измерения соотношения каждого из трех изотопов калия. Примечательно, что в образцах они обнаружили изотопную сигнатуру, которая отличалась от того, что было найдено в большинстве материалов на Земле.
В частности, они выявили дефицит изотопа калий-40. В большинстве материалов на Земле этот изотоп уже составляет ничтожную долю по сравнению с двумя другими изотопами калия. Но исследователи смогли установить, что их образцы содержали еще меньший процент калия-40. Обнаружение этого ничтожного дефицита сравнимо с обнаружением одного коричневого зернышка песка в ведре, наполненном желтым песком.
Команда обнаружила, что образцы действительно демонстрировали дефицит калия-40, показывая, что эти материалы «были созданы по-другому», — отмечает Ни, — по сравнению с большей частью того, что мы видим на Земле сегодня.
Но могли ли эти образцы быть редкими остатками прото-Земли? Для ответа на этот вопрос исследователи предположили, что это возможно. Они рассудили, что если прото-Земля изначально состояла из таких материалов с дефицитом калия-40, то большая часть этого материала подверглась бы химическим изменениям — в результате гигантского столкновения и последующих, более мелких метеоритных ударов, — что в конечном итоге привело бы к появлению материалов с большим содержанием калия-40, которые мы видим сегодня.
Команда использовала данные о составе всех известных метеоритов и провела симуляцию того, как изменился бы дефицит калия-40 в образцах после столкновений с этими метеоритами и после гигантского столкновения. Они также смоделировали геологические процессы, которые Земля пережила со временем, такие как нагревание и перемешивание мантии. В итоге, их симуляции воспроизвели состав с немного более высокой долей калия-40 по сравнению с образцами из Канады, Гренландии и Гавайев. Что еще важнее, смоделированные составы совпали с составами большинства современных материалов.
Таким образом, работа предполагает, что материалы с дефицитом калия-40, вероятно, являются оставшимся оригинальным материалом прото-Земли.
Любопытно, что сигнатура образцов не совпадает ни с одним из других метеоритов в коллекциях геологов. Хотя метеориты в предыдущей работе команды демонстрировали калиевые аномалии, они не являются точно таким же дефицитом, который наблюдается в образцах прото-Земли. Это означает, что какие бы метеориты и материалы ни сформировали прото-Землю изначально, их еще предстоит открыть.
«Ученые пытались понять первоначальный химический состав Земли, комбинируя составы различных групп метеоритов, — размышляет Ни. — Но наше исследование показывает, что текущий инвентарь метеоритов не полон, и еще многое предстоит узнать о том, откуда взялась наша планета».
Эта работа была частично поддержана NASA и Массачусетским технологическим институтом.
