Обнаружено прямое доказательство существования Протоземли 4,5 млрд лет назад

Фото из открытых источников

Международная группа под руководством Массачусетского технологического института обнаружила аномалию изотопов калия в глубоких породах, сохранившихся в нетронутом виде после катастрофического удара, в результате которого образовалась Луна, впервые раскрыв химический состав первичной планеты.

В глубинах Земли, скрытой в некоторых из самых древних и глубоких пород планеты, скрывается тайна возрастом 4,5 миллиарда лет. Ученые из Массачусетского технологического института (MIT) в сотрудничестве с институтами из США, Китая и Швейцарии наконец-то разгадали эту загадку: химическая идентификация первозданных материалов Прото-Земли, планетарного эмбриона, существовавшего до колоссального столкновения, навсегда изменила ее и дала начало миру, в котором мы живем сегодня. Результаты этого исследования, которое перепишет первые главы истории формирования планет, опубликованы в журнале Nature Geosciences.

В младенчестве Солнечной системы турбулентный диск газа и космической пыли начал слипаться, образуя первые метеориты, которые посредством последовательных слияний и аккреций стали ядрами планет, включая Прото-Землю. Эта примитивная планета, вероятно, была адским миром, каменистым и покрытым океаном магмы. Ее судьба безвозвратно изменилась менее чем через сто миллионов лет после ее образования, когда объект размером с Марс, названный Тейей, врезался в нее. Это событие, известное как «гигантский удар», испарило, расплавило и полностью смешало внутренности молодой планеты, изменив ее внутреннюю химию настолько глубоко, что долгое время предполагалось, что любые следы первоначального материала были стерты — растворены в образовавшемся глобальном тигле.

Упорные исследования команды Массачусетского технологического института теперь показывают, что это предположение было неверным. Исследователям удалось выделить характерную химическую сигнатуру — аномалию в соотношении изотопов калия, — обнаруженную в древних породах Гренландии, Канады и в глубоких мантийных лавах, извергнутых гавайскими вулканами. Этот изотопный дисбаланс, небольшой, но измеримый дефицит калия-40, чужд составу подавляющего большинства материалов, из которых состоит современная Земля. После исчерпывающего моделирования и имитаций команда пришла к выводу, что этот аномальный сигнал не мог быть вызван ни более поздними геологическими процессами, ни известной метеоритной бомбардировкой; его происхождение должно быть более архаичным.

«Возможно, мы столкнулись с первым прямым доказательством сохранения протоземельных материалов», – говорит ведущий автор исследования профессор Николь Ни из Массачусетского технологического института имени Пола М. Кука. Мы наблюдаем фрагмент древней Земли, возраст которого превышает возраст гигантского столкновения. Это невероятно, поскольку мы предполагали, что этот первичный след постепенно стирается в ходе эволюции планеты.

Открытие основано на предыдущей работе той же группы, опубликованной в 2023 году, в которой они проанализировали изотопный состав калия в широком спектре метеоритов. Изотопы – это разновидности одного и того же элемента с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов; в случае калия существует три природных изотопа: калий-39, калий-40 и калий-41. Практически во всех образцах земных пород калий-39 и калий-41 преобладают, в то время как калий-40 присутствует в незначительной пропорции.

В своих предыдущих исследованиях Ни с коллегами обнаружили, что некоторые метеориты демонстрируют дисбаланс этих пропорций — аномалии, отличающие их от стандартного состава земных метеоритов. Это превратило калий в потенциальный химический индикатор, инструмент для отслеживания исходных строительных блоков нашей планеты. Если бы земная порода демонстрировала подобную аномалию, это было бы убедительным доказательством того, что её материал избежал планетарной гомогенизации.

Руководствуясь этой гипотезой, команда приступила к поиску этой сигнатуры в самой Земле. Они проанализировали породы из некоторых древнейших образований, сохранившихся в земной коре, в Гренландии и Канаде, а также образцы гавайской лавы, которые действуют как капсулы времени, поднимаясь на поверхность из глубин мантии — 2900-километрового слоя горных пород, простирающегося под земной корой.

Аналитическая процедура была тщательной: они растворили порошкообразные образцы в кислоте, отделили калий от других элементов и с помощью высокоточного масс-спектрометра измерили соотношение каждого из трёх изотопов. Результаты оказались убедительными: в самых древних породах и глубоких лавах наблюдался устойчивый дефицит калия-40. Это был едва заметный сигнал, сравнимый с обнаружением одной песчинки слегка другого цвета в полном ведре, — но он был реальным и воспроизводимым.

Наличие этой аномалии указывало на то, что эти материалы, по словам Ни, были построены иначе, чем остальная часть планеты. Ключевым вопросом было, могли ли они действительно быть реликтами Прото-Земли. Чтобы ответить на него, команда провела сложное компьютерное моделирование. Они исходили из предпосылки, что Прото-Земля изначально состояла из материалов с тем же дефицитом калия-40. Затем они смоделировали, как гигантский удар и последующие метеоритные бомбардировки — составы которых известны по мировой коллекции метеоритов — могли бы химически изменить этот первичный материал, постепенно обогащая его калием-40, пока он не достиг изотопного состава, который преобладает сегодня.

Модели подтвердили гипотезу. Моделирование показало, что смешивание и геологическая обработка на протяжении веков преобразовали бы материал с дефицитом калия-40 в современный стандартный состав. Однако остатки, обнаруженные в Гренландии, Канаде и на Гавайях, не участвовали в этом процессе гомогенизации, сохраняясь в химически изолированных карманах в мантии Земли миллиарды лет.

Ещё одно открытие добавляет ещё один слой тайн к происхождению Земли. Специфический изотопный состав, обнаруженный в этих глубоких породах, не полностью соответствует изотопному составу ни одного из исследованных на сегодняшний день метеоритов. Это означает, что конкретные строительные блоки, из которых образовалась Протоземля – те, в которых наблюдается дефицит калия-40 – либо ещё не обнаружены, либо больше не существуют как самостоятельные тела в Солнечной системе.

Ученые десятилетиями пытались понять первоначальный химический состав Земли, комбинируя составы различных групп метеоритов, объясняет Ни. Но исследование показывает, что существующий список метеоритов не полон, и многое еще предстоит узнать о происхождении нашей планеты. Это открытие дает первое прямое представление о составе Прото-Земли и переосмысливает будущие поиски, указывая на то, что полный состав Земли еще предстоит расшифровать — либо в самых отдаленных уголках Солнечной системы, либо в недоступных глубинах нашего собственного мира.