Στα έγκατα της γης, κρυμμένα μέσα σε μερικά από τα παλαιότερα και πιο βαθιά πετρώματα του πλανήτη, βρίσκεται ένα μυστικό 4.5 δισεκατομμυρίων ετών.
Επιστήμονες από το ΜΙΤ, σε συνεργασία με ιδρύματα από τις ΗΠΑ, την Κίνα και τη Σουηδία, κατάφεραν επιτέλους να ξετυλίξουν το κουβάρι: Τη χημική ταυτοποίηση των καθαρών υλικών από την Πρωτο-Γη, το πλανητικό έμβρυο που υπήρχε πριν από την τεράστια σύγκρουση που τη μεταμόρφωσε για πάντα και έδωσε μορφή στον σημερινό πλανήτη.
Τα αποτελέσματα της μελέτης, ξαναγράφουν τα πρώτα κεφάλαια του σχηματισμού του πλανήτη και δημοσιεύτηκαν στο Nature Geosciences. Κατά την πρώιμη φάση του ηλιακού συστήματος, ένας δίσκος αερίων και κοσμικής σκόνης άρχισε να συσσωρεύεται, σχηματίζοντας τους πρώτους μετεωρίτες οι οποίοι, μετά από διαδοχικές συντήξεις και συσσωματώσεις, αποτέλεσαν τους πυρήνες των πλανητών, ανάμεσα στους οποίους και η Πρωτο-Γη.
Ο πρωτόγονος αυτός πλανήτης ήταν μάλλον μια κόλαση, ένας κόσμος βραχώδης και καλυμμένος από μάγμα. Η μοίρα του θα άλλαζε για πάντα λιγότερο από εκατό εκατομμύρια χρόνια μετά τον σχηματισμό του, όταν συγκρούστηκε με τον αρχαίο πλανήτη Theia, που είχε το μέγεθος του Άρη.
Αυτό το γεγονός, γνωστό ως υπόθεση της γιγαντιαίας πρόσκρουσης, εξαΰλωσε, έλιωσε και ανέμειξε πλήρως το εσωτερικό του νεαρού πλανήτη, αλλάζοντας την εσωτερική του χημεία τόσο βαθιά, που για πολύ καιρό θεωρείτο ότι οποιοδήποτε ίχνος του αρχικού υλικού είχε εξαφανιστεί, καθώς είχε διαλυθεί μέσα στην τεράστια παγκόσμια χοάνη που προέκυψε.
Η επίμονη μελέτη της ομάδας από το ΜΙΤ, δείχνει πως, η υπόθεση αυτή ήταν ανακριβής. Οι ερευνητές κατάφεραν ν’ απομονώσουν μια διακριτή χημική υπογραφή – μια ανωμαλία στην αναλογία ισοτόπων καλίου που βρέθηκε σε αρχαία πετρώματα της Γροιλανδίας, του Καναδά, καθώς και σε λάβα από τον βαθύ μανδύα που εκτοξεύθηκε από τα ηφαίστεια της Χαβάης.
Αυτή η ισοτοπική ανισορροπία, μια μικρή αλλά μετρήσιμη έλλειψη στο κάλιο -40, δεν είναι γνωστή στη σύσταση των περισσότερων υλικών που συνθέτουν τη σημερινή Γη. Η ομάδα κατέληξε, ύστερα από εκτεταμένη μοντελοποίηση και προσομοιώσεις, στο συμπέρασμα ότι, το ανώμαλο σήμα δεν θα μπορούσε να έχει προκύψει από μεταγενέστερες γεωλογικές διεργασίες, ούτε από τη γνωστή βροχή μετεωριτών. Η προέλευσή της, είναι πολύ αρχαιότερη.
«Ενδέχεται να βρισκόμαστε αντιμέτωποι με την πρώτη άμεση απόδειξη ότι υλικά της Πρωτο-Γης έχουν διατηρηθεί», εξήγησε η καθηγήτρια Nicole Nie, καθηγήτρια Επιστημών της Γης, της Ατμόσφαιρας και του Πλανητικού συστήματος στην έδρα Paul M. Cook στο ΜΙΤ και κύρια συγγραφέας της μελέτης.
«Παρατηρήσαμε ένα θραύσμα της αρχαίας Γης, που είναι ακόμη παλαιότερο από την γιγαντιαία πρόσκρουση. Είναι εντυπωσιακό επειδή περιμέναμε πως, αυτή η πρωτόγονη υπογραφή θα είχε εξαφανιστεί σταδιακά στη διάρκεια της εξέλιξης της Γης».
Το στοιχείο του καλίου
Η ανακάλυψη είναι συνέχεια προηγούμενης μελέτης της ίδιας ομάδας, η οποία δημοσιεύτηκε το 2023 και στην οποία ανέλυσαν την ισοτοπική σύνθεση του καλίου σε πολλούς διαφορετικούς μετεωρίτες. Τα ισότοπα είναι παραλλαγές του ίδιου στοιχείου, με τον ίδιο αριθμό πρωτονίων αλλά διαφορετικό αριθμό νετρονίων.
Στην περίπτωση του καλίου, υπάρχουν τρία ισότοπα: Το κάλιο – 39, το κάλιο – 40 και το κάλιο – 41. Σχεδόν σε όλα τα εδάφη της Γης, επικρατούν το κάλιο – 39 και το κάλιο – 41, ενώ το κάλιο – 40 υπάρχει σε ελάχιστη αναλογία.
Σε προηγούμενη μελέτη τους, η Nie και οι συνεργάτες της, διαπίστωσαν ότι ορισμένοι μετεωρίτες εμφάνιζαν ανισορροπίες σε αυτές τις αναλογίες—ανωμαλίες που τους ξεχώριζαν από τη συνήθη γήινη σύσταση. Αυτό έκανε το κάλιο έναν εν δυνάμει χημικό ιχνηλάτη, ένα εργαλείο για να ανιχνευθούν τα αρχικά δομικά στοιχεία του πλανήτη μας. Αν ένα γήινο πέτρωμα είχε μια παρόμοια ανωμαλία, αυτό θα αποτελούσε ισχυρή ένδειξη πως, το υλικό του είχε διαφύγει της πλανητικής ομογενοποίησης.
Με βάση αυτή την υπόθεση, η ομάδα επιχείρησε ν’ αναζητήσει αυτή την υπογραφή μέσα στη Γη. Ανέλυσαν πετρώματα κάποιων από τους αρχαιότερους σχηματισμούς που έχουν διατηρηθεί στον φλοιό της Γης, στη Γροιλανδία και τον Καναδά όπως και σε δείγματα λάβας της Χαβάης, που λειτουργούν ως χρονοκάψουλες, αναδύοντας υλικό από τα βάθη του μανδύα—του πετρώδους στρώματος 2.900 χιλιομέτρων που εκτείνεται κάτω από τον φλοιό.
Η ανάλυση ήταν σχολαστική: Οι επιστήμονες διέλυσαν σε οξύ δείγματα σκόνης, απομόνωσαν το κάλιο απ’ τα υπόλοιπα στοιχεία και χρησιμοποίησαν φασματογράφο μάζας υψηλής ακρίβειας για την μέτρηση της αναλογίας καθενός από τα τρία ισότοπα. Τα αποτελέσματά τους ήταν ασφαλή: Τα αρχαιότερα πετρώματα και η βαθιά λάβα, έδειξαν σταθερή ανεπάρκεια καλίου -40. Ήταν ένα μικρό σημάδι, η ανίχνευση του οποίου μπορεί να συγκριθεί με την παρατήρηση ενός κόκκου άμμου με ελαφρώς διαφορετική απόχρωση σ’ έναν ολόκληρο κουβά – αλλά ήταν πραγματικό και επαναλαμβανόμενο.
Τα υλικά “δημιουργήθηκαν διαφορετικά”
Η ύπαρξη της ανωμαλίας μαρτυρά ότι τα υλικά αυτά σύμφωνα με την περιγραφή της Nie, «ήταν φτιαγμένα διαφορετικά» σε σχέση από τον υπόλοιπο πλανήτη. Το κρίσιμο ερώτημα ήταν αν θα μπορούσαν να είναι υπολείμματα της Πρωτο-Γης. Για να το απαντήσουν, τα μέλη της ομάδας πραγματοποίησαν περίπλοκες υπολογιστικές προσομοιώσεις.
Ξεκίνησαν από την υπόθεση ότι, η Πρωτο-Γη αρχικά αποτελούταν από υλικά με την ίδια έλλειψη καλίου -40. Στη συνέχεια μοντελοποίησαν πώς η γιγαντιαία πρόσκρουση και οι μεταγενέστεροι «βομβαρδισμοί» από μετεωρίτες – των οποίων η σύνθεση είναι γνωστή μέσω της παγκόσμιας συλλογής μετεωριτών – θα είχαν χημικά τροποποιήσει εκείνο το πρωτογενές υλικό, εμπλουτίζοντάς το σταδιακά με κάλιο-40 μέχρι να φτάσει στην ισοτοπική σύνθεση που είναι σήμερα κυρίαρχη.
Τα μοντέλα επαληθεύουν την υπόθεση
Οι προσομοιώσεις έδειξαν ότι, η ανάμειξη και οι γεωλογικές διεργασίες στο πέρασμα των αιώνων, θα μετέτρεπαν το υλικό που στερείται καλίου-40 στην σύγχρονη τυπική σύνθεση. Τα υπολείμματα που βρέθηκαν στη Γροιλανδία, τον Καναδά και τη Χαβάη, ωστόσο, είχαν παραμείνει απομονωμένα από αυτή τη διαδικασία ομογενοποίησης, διατηρημένα σε χημικά απομονωμένες “θήκες” μέσα στον μανδύα της Γης για δισεκατομμύρια χρόνια.
Ένα ακόμη εύρημα που προσθέτει ένα στρώμα μυστηρίου για την προέλευση της Γης. Η συγκεκριμένη ισοτοπική υπογραφή που βρέθηκε στα βαθιά αυτά πετρώματα, δεν αντιστοιχεί με ακρίβεια σε εκείνη κανενός μετεωρίτη που έχει αναλυθεί μέχρι σήμερα. Γεγονός που υποδηλώνει πως, τα συγκεκριμένα δομικά στοιχεία που διαμόρφωσαν την Πρώιμη Γη – με αυτή την ιδιαίτερη έλλειψη καλίου-40—είτε δεν έχουν ανακαλυφθεί ακόμη, είτε δεν υπάρχουν πλέον ως ανεξάρτητα σώματα στο ηλιακό σύστημα.
Εδώ και δεκαετίες, οι επιστήμονες προσπαθούν να καταλάβουν την αρχική χημική σύσταση της Γης, συνδυάζοντας τις συνθέσεις από διαφορετικές ομάδες μετεωριτών, εξηγεί η Nie. Ωστόσο, η έρευνα δείχνει πως, o σημερινός κατάλογος των μετεωριτών είναι ελλιπής και εξακολουθούν να υπάρχουν πολλά που πρέπει να ανακαλύψουμε για την προέλευση του πλανήτη μας.
Η ανακάλυψη προσφέρει τα πρώτα, άμεσα στοιχεία για τη σύνθεση της Πρωτο-Γης Γης και επανακαθορίζει την μελλοντική αναζήτηση, υποδεικνύοντας ότι δεν έχει αποκρυπτογραφηθεί η πλήρης «συνταγή» της Γης – είτε στις πιο απόμακρες περιοχές του ηλιακού συστήματος ή στα απροσπέλαστα βάθη του δικού μας πλανήτη.
