Potas z Ziemi dotarł do nas za pośrednictwem meteorytów – tak wynika z nowych badań prowadzonych przez Nicole Nie i Da Wanga z Carnegie. Ich praca, opublikowana w Science, pokazuje, że niektóre prymitywne meteoryty zawierają inną mieszankę izotopów potasu niż te, które znajdują się w innych, bardziej przetworzonych chemicznie meteorytach. Wyniki te mogą pomóc wyjaśnić procesy, które ukształtowały nasz Układ Słoneczny i określiły skład jego planet.

„Ekstremalne warunki panujące we wnętrzach gwiazd umożliwiają gwiazdom produkcję pierwiastków za pomocą fuzji jądrowej” – wyjaśnia Nie, były postdoc z Carnegie, obecnie pracujący w Caltech. „Każde pokolenie gwiazdowe zasiewa surowiec, z którego rodzą się kolejne pokolenia, a my możemy prześledzić historię tego materiału w czasie”.

Część materiału wytwarzanego we wnętrzach gwiazd może zostać wyrzucona w przestrzeń kosmiczną, gdzie gromadzi się jako chmura gazu i pyłu. Ponad 4,5 miliarda lat temu, jedna z takich chmur zapadła się na siebie tworząc nasze Słońce.

Pozostałości tego procesu utworzyły wirujący dysk wokół nowo narodzonej gwiazdy. Ostatecznie planety i inne obiekty Układu Słonecznego koalescowały z tych resztek, w tym ciała macierzyste, które później rozpadły się na asteroidy i meteoryty.

„Badając zmiany w zapisie izotopowym zachowanym w meteorytach, możemy prześledzić materiały źródłowe, z których się one uformowały i zbudować geochemiczną linię czasu ewolucji naszego Układu Słonecznego” – dodał Wang, który obecnie pracuje na Uniwersytecie Technologicznym w Chengdu.

Każdy pierwiastek zawiera unikalną liczbę protonów, ale jego izotopy mają różną liczbę neutronów. Rozmieszczenie różnych izotopów tego samego pierwiastka w całym Układzie Słonecznym jest odzwierciedleniem składu chmury materii, z której narodziło się Słońce. Wiele gwiazd przyczyniło się do powstania tzw. słonecznego obłoku molekularnego, ale ich wkład nie był jednolity, co można ustalić badając zawartość izotopów w meteorytach.

Wang i Nie – wraz z kolegami z Carnegie, Anat Shahar, Zachary Torrano, Richard Carlson i Conel Alexander – zmierzyli stosunek trzech izotopów potasu w próbkach z 32 różnych meteorytów.

Potas jest szczególnie interesujący, ponieważ jest to tak zwany umiarkowanie lotny pierwiastek, który został nazwany ze względu na stosunkowo niską temperaturę wrzenia, co powoduje, że dość łatwo wyparowuje. W rezultacie trudno jest szukać wzorców, które poprzedzają Słońce w izotopowych stosunkach lotnych pierwiastków – po prostu nie utrzymują się one w gorących warunkach formowania się gwiazd na tyle długo, by zachować łatwy do odczytania zapis.

„Jednakże, używając bardzo czułych i odpowiednich instrumentów, znaleźliśmy wzory w dystrybucji naszych izotopów potasu, które zostały odziedziczone po materiałach przedsłonecznych i różniły się między typami meteorytów,” powiedział Nie.

Odkryli, że niektóre z najbardziej prymitywnych meteorytów zwanych chondrytami węglowymi, które powstały w zewnętrznym Układzie Słonecznym, zawierały więcej izotopów potasu, które zostały wyprodukowane przez ogromne eksplozje gwiezdne, zwane supernowe. Natomiast inne meteoryty – te, które najczęściej rozbijają się o Ziemię, zwane chondrytami niewęglowymi – zawierają takie same proporcje izotopów potasu, jakie można zaobserwować na naszej rodzimej planecie i w innych miejscach wewnętrznego Układu Słonecznego.

„To mówi nam, że podobnie jak w przypadku źle wymieszanego ciasta, nie było równomiernej dystrybucji materiałów pomiędzy zewnętrznymi krańcami Układu Słonecznego, gdzie tworzyły się chondryty węglowe, a wewnętrznym Układem Słonecznym, gdzie żyjemy” – podsumował Shahar.

Przez lata naukowcy z Carnegie zajmujący się Ziemią i planetami pracowali nad ujawnieniem pochodzenia ziemskich pierwiastków lotnych. Niektóre z tych elementów mogły zostać przetransportowane tutaj aż z zewnętrznego Układu Słonecznego na grzbietach chondrytów węglowych. Ponieważ jednak wzór przedsłonecznych izotopów potasu znalezionych w niekarbonowych chondrytach pasował do tego, co zaobserwowano na Ziemi, to właśnie te meteoryty są prawdopodobnym źródłem potasu naszej planety.

„Dopiero niedawno naukowcy podważyli niegdyś długo utrzymywane przekonanie, że warunki w mgławicy słonecznej, która zrodziła nasze Słońce, były wystarczająco gorące, aby spalić wszystkie lotne pierwiastki” – dodał Shahar. „Te badania dostarczają świeżych dowodów na to, że lotne pierwiastki mogły przetrwać formowanie się Słońca”.

Potrzeba więcej badań, aby zastosować tę nową wiedzę do naszych modeli formowania się planet i zobaczyć, czy koryguje ona jakieś długo utrzymywane przekonania na temat tego, jak powstała Ziemia i jej sąsiedzi.

Praca ta została wsparta przez stypendium NASA NESSF, stypendia podoktorskie Carnegie oraz grant Carnegie Postdoc × Postdoc (P2) seed.

Źródło: Carnegie Institution for Science