Parányi porszemcsékből viharos gyorsasággal nőtt bolygóvá a Föld

Földkelte a Holdon. A legfrisebb kutatások szerint bolygónk sokkal gyorsabban alakult ki, mint ahogy azt eddig feltételezték

Régóta foglalkoztatja a kutatókat az a kérdés, hogy vajon hogyan és mennyi idő alatt alakulhatott ki tágabb szülőhazánk, a Föld. Bolygónk kialakulására három elmélet létezik: az úgynevezett „Nap-ködös”, a „besugárzott részecskés” valamint a „kései akkréciós” modell. Egy nemrég elvégzett kutatás szerint a földköpeny és a mélyűr izotópösszetételének összevetése az első változatot támasztja alá.

Az árulkodó neon

A Föld viszonylag gyorsan alakult ki a Nap körüli por- és gázfelhőből, formálódó köpenyében csapdába ejtve a vizet és a gázokat – állítják a Kaliforniai Egyetem davisi kampuszának (UC Davis) kutatói a Nature legfrissebb számában.

Földkelte a Holdon. A legfrisebb kutatások szerint bolygónk sokkal gyorsabban alakult ki, mint ahogy azt eddig feltételezték Forrás: NASA

Az eredmények azon túl, hogy hozzájárulnak a Föld eredetének tisztázásához,

segítenek az olyan távoli naprendszerek azonosításában, ahol esetleg lakható bolygó található.

Egy Földhöz hasonló exobolygó illusztrációja Forrás: leemage/©Ron Miller/Novapix/Leemage/Ron Miller

A UC Davis professzora, Sujoy Mukhopadhyay és posztdoktor kutatója, Curtis Williams úgy jutottak erre a következtetésre,

hogy a neon izotópösszetételét elemezték a Föld mélységeiben,

és ezt vetették össze a világűrből származó különböző minták hasonló adataival.

Az eredmények segítenek az olyan távoli naprendszerek azonosításában, ahol esetleg lakható bolygó található. Forrás: ESO/M. Kornmesser

Azt próbáljuk megérteni, honnan és miként került a neon a Föld köpenyébe. Ez elárulja nekünk, milyen gyorsan és milyen körülmények között formálódott a bolygó

– nyilatkozta Williams, majd kifejtette: a neon egyfajta indikátorként árulkodik arról, hogy más gázok, mint a víz alkotói, illetve a szén-dioxid és a nitrogén honnan érkeztek.

A Föld a Hold túlsó oldaláról nézve. Eldőlni látszik a kérdés, hogyan alakulhatott ki a Föld Forrás: NASA

Míg az utóbbi elemek és vegyületek az élő anyag alkotói, a neon inert nemesgáz, amely nem vesz részt a Földön zajló kémiai és biológiai folyamatokban, így a neon még négy és fél milliárd év múltán is őrzi eredetének emlékét.

Becsapódások hizlalták-e hatalmasra a Földet?

Három versengő elmélet forog közkézen arról, hogyan alakult ki a Föld a Nap körüli, por és gáz alkotta ún. protoplanetáris korongból a Naprendszer hajnalán, és hogyan kebelezte be növekvő bolygónk a vizet és a gázokat.

Egy fiatal csillag és az azt körülvevő protoplanetáris korong művészi illusztrációja Forrás: ESO/L. Calçada

Az első, „Nap-köd” elmélet szerint a növekedés viszonylag gyorsan, 2-5 millió év alatt zajlott le,

és a gyarapodó Föld közvetlenül a fiatal Nap körüli nebulából – a csillag körül keringő por- és gázkorongból – gyűjtötte anyagát.

Az ALMA felvétele a HL Tauri körül formálódó protoplanetáris korongról, amiből bolygók alakulhatnak ki. Ilyen képet mutathatott több mint négy és fél milliárd éve a Naprendszer is Forrás: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

A második elmélet azt feltételezi, hogy először parányi porszemcsék formálódtak, amelyeket a Nap egy ideig intenzív sugárzással bombázott, mielőtt miniatűr testekké, ún. planetezimálisokká álltak volna össze, s a növekvő Földet ezek becsapódásai hizlalták.

A korai Naprendszert bemutató illusztráción szaggatott vonal jelzi azt a sávot, amelyen kívül a vízjég nem olvad el. A Naprendszer belsejébe két úton kerülhet víz: vagy a porszemcsékhez tapadó vízmolekulákkal, vagy olyan szenes kondrit típusú meteoritokkal, amelyek a korai Jupiter gravitációjának hatására érik el a Naprendszer belső részein az objektumokat Forrás: Origo

Ha viszont a harmadik verzió igaz, a Föld relatíve lassan alakult ki, és a gázokat vízben, szénben és nitrogénben gazdag kondritos meteoritok szállították.

Ezt a forgatókönyvet „kései akkréciós” modellként szokás emlegetni

(az akkréció mint kifejezés a növekvő égitest anyagbefogásának folyamatára utal).

A Föld jelenlegi tömege a Naprendszer keletkezésének hajnalán viszonylag gyorsan állt össze Forrás: leemage/©P.Carril/Novapix/Leemage/P.Carril

Mukhopadhyay elmondta: az egyes modellek eltérő képet festenek a korai Föld állapotáról,

például ha a Föld gyorsan alakult ki a Nap körüli nebulából, sok hidrogén lehetett a felszínén

vagy ahhoz közel, ellenben ha a széntartalmú kondritok építették, a hidrogén oxidált formában, vagyis vízként érkezhetett rá.

A választ az óceán aljzata rejti

Hogy igazságot tegyenek, vajon a versengő modellek melyike állhat a legközelebb a valósághoz, Williams és Mukhopadhyay pontos méréseket végeztek a Föld keletkezésének idején a bolygó köpenyanyagába bezáródott neon izotóparányának meghatározására.

A neon spektruma (színképe) Forrás: Wikimedia Commons/Deo Favente

A neonnak három izotópja létezik: a 20-as, 21-es és 22-es tömegszámú.

Mindhárom stabil és nem radioaktív, azonban a neon-21 az uránium radioaktív bomlása során keletkezik.

Így a neon-20 és -22 mennyisége a Földön állandó a bolygó keletkezése óta, és az is marad örökre, ellenben a neon-21 idővel lassan felhalmozódik.

A neon gázkisülése egy üvegcsőben Forrás: Wikimedia Commons/Alchemist-hp

A Föld keletkezését magyarázó három elmélet a neon-20 és a neon-22 más és más arányát jósolja, s e neonizotópok állandósága miatt az akkor beállt viszonyok máig változatlanok maradtak.

A kutatók úgy juthattak legközelebb a földköpenyhez, hogy megvizsgálták az óceánfenék bazaltpárnának nevezett kőzeteit.

Párnaláva formáció a mélytengeri közép-atlanti hátság riftvölgyében Forrás: Wikimedia Commons

Ezek az üveges sziklák a Föld mélyéről felbugyogó olvadt kőzetek maradványai, amelyek az óceán vizével érintkezve dermedtek meg, és a Rhode Island-i Egyetem fúróexpedíciója hozta őket a felszínre.

Az óceán felszíne alatt bukkantak rá a válaszra a kutatók Forrás: Elter Tamás

A bazalt apró buborékok formájában gázzárványokat tartalmaz.

Williams egy légmentesen lezárt kamrában, prés segítségével zúzta össze a bazalt darabkáit, s az így kiszabadult gázt érzékeny tömegspektrométerbe vezette.

A neon azt bizonyítja, hogy nagyon gyorsan hízott a Föld

Ami a világűrt illeti, korábbi kutatások a Genesis-űrmisszió során a napszélből gyűjtött részecskék elemzésével megállapították, milyen neonizotóp-arány tartozna az első elmélethez, vagyis a „Nap-nebula” változathoz.

A Lófej-köd az Orion csillagképben. A csillagok és a bolygók az ehhez hasonló nebulákból, a csillagközi por és gázfelhőkből alakulnak ki Forrás: NOAO/Travis Rector

A „besugárzott részecskés” modellnek megfelelő izotópösszetételre a holdbéli talaj- és meteoritminták elemzéséből lehetett következtetni. Végül a „kései akkréciós” modellhez a széntartalmú kondritos meteoritok analízise szolgáltatott adatokat.

Az Almahata Sitta meteorit a lelőhelyén. A teóriák közül az egyik elmélet szerint a meteoroidok tömeges becsapódása miatt nőtt a mai méretére a Föld tömege, ám ezt az elméletet az új kutatások fényében véglegesen el lehet vetni Forrás: Peter Jenniskens (SETI Institute/NASA Ames)

Mivel a földmélyi bazalt gázzárványaiból felszabadított neon izotóparánya nem felelt meg sem a besugárzott részecskés, sem a kései akkréciós modell jóslatainak,

az új adatok a gyors korai kialakulás, vagyis a Nap-nebulából való közvetlen anyaggyűjtés modelljét támasztják alá.

A Nap felszíne Forrás: AFP/NASA

Világosan látszik, hogy a mély földköpeny anyagában a nebulából származó neon található

– szögezte le Williams. Emlékezzünk: a neon remek helyettes indikátora a többi illékony anyagnak, hiszen ugyanakkor került a Földre, viszont azokkal ellentétben nem ment át számtalan átalakuláson.

A kihűlő ősi Föld művészi illusztrációja Forrás: NASA/Earth

Így a neon eredetéből nyugodtan következtethetünk arra, hogy a hidrogén, a víz, a széndioxid és a nitrogén – vagyis azok az anyagok, amelyek a mai ismereteink szerint lakhatóvá tesznek egy bolygót – szintén ugyanakkor kerültek a gyarapodó Föld birtokába.

Más csillagok körül is így keletkezhetnek a Föld-típusú bolygók

Az eredményekből egyebek mellett az is következik, hogy a létfontosságú elemek és vegyületek begyűjtéséhez a formálódó bolygóknak el kellett érniük egy bizonyos alsó mérethatárt – nagyjából a Marsét, vagy annál kicsit nagyobbat –, még mielőtt a Nap-nebula szerteoszlott.

Egy protoplanetáris korong művészi illusztrációja Forrás: B. Saxton (NRAO/AUI/NSF)

Más naprendszerek megfigyelése arról tanúskodik, hogy ehhez körülbelül két-hárommillió évre van szükség

– ismertette Williams. Ez azt is jelenti, hogy egy lakható bolygó aligha lehet kisebb ennél.Vajon más csillagok körül is hasonlóképpen zajlanak ezek a történések?

Az ALMA felvétele a CI Tau-ról. Jól megfigyelhető a fiatal csillagot körülvevő protoplanetáris korong Forrás: University of Cambridge

A chilei sivatagban található Atacama Large Millimeter Array (ALMA) obszervatórium megfigyelései szerint igen – állítják a tudósok.

Az ALMA 66 rádiótávcső jeleit egyesítve a világegyetem por- és gázfelhőit képezi le,

és néhány közeli csillag körül megfigyelte a bolygóformálódáshoz szükséges, porból és gázból álló korongokat.

Az ALMA (Atacama Large Millimeter Array) rádióteleszkópjai a csillagos eget fürkészik Forrás: YouTube

E korongokban olykor sötét gyűrűk látszanak, ahol a por eltűnt belőlük.

Van néhány módja annak, hogyan tűnhet el a korongból a por, ezek egyike az, ha a porból éppen bolygó alakul

– mondta el Williams.

Egy távoli csillagrendszer exobolygójának felszíne, művészi illusztráción Forrás: (IAU/L. Calçada)

– Más naprendszerekben látjuk, amint a gázkorongból bolygók képződnek, és a mi Földünk belseje is ennek a folyamatnak az emlékét őrzi – foglalta össze Mukhopadhyay. – Valószínűleg mindenütt máshol a világegyetemben is gyakori formája ez a bolygóképződésnek.