پژوهشی جدید و چشمگیر نشان میدهد که تکههایی از «پیشسیاره» جهنمی و پوشیده از گدازه که ۴.۵ میلیارد سال پیش، پیش از شکلگیری زمین وجود داشته، به صورت دستنخورده در سنگهای باستانی باقی ماندهاند.
این تکهها حاوی امضای متمایز پتاسیم هستند که بر اساس مطالعهای که در ۱۴ اکتبر در مجله Nature Geoscience منتشر شد، در هیچ سنگ یا شهابسنگ دیگری که تاکنون توسط دانشمندان مورد بررسی قرار گرفته، دیده نشده است. از لحاظ تئوری، این امضاها باید در برخورد عظیمالجثهای که ماه را به وجود آورد، از بین میرفتند، اما اکنون به نظر میرسد که تعداد انگشتشماری از آنها از این واقعه فاجعهبار جان سالم به در برده و در برابر آزمون زمان مقاومت کردهاند.
نیکول نی، یکی از نویسندگان این مطالعه و استادیار علوم زمین و سیارات در MIT، در بیانیهای گفت: «این شاید اولین شواهد مستقیمی باشد که نشان میدهد ما مواد پیشزمین را حفظ کردهایم.» او افزود: «این شگفتانگیز است، زیرا انتظار داشتیم که این امضای بسیار اولیه در طول تکامل زمین به تدریج محو شود.»
- کشف شگفتانگیز؛ مریخ هم هسته درونی جامد دارد مانند زمین
- اگر سیارک بنو به زمین برخورد کند چه اتفاقی می افتد؟
پیشزمین و برخورد سرنوشتساز
پیشزمین یک گلوله داغ از سنگ مذاب و جوشان بود که از گرد و غبار کیهانی و شهابسنگها در اوایل منظومه شمسی تشکیل شد. اما پس از ۱۰۰ میلیون سال، سیاره اولیه ما با سیارهای به اندازه مریخ به نام تیا (Theia) برخورد فاجعهباری داشت. این تصادم چنان قدرتمند بود که به طور کامل ساختار داخلی پیشزمین را به هم ریخت و تکهای از آن را به بیرون پرتاب کرد که تبدیل به ماه شد.
همچنین، تیا مقادیر عظیمی مواد جدید را به پیشزمین رساند و ترکیب شیمیایی آن را به طور برگشتناپذیری تغییر داد و آن را به سیارهای شبیهتر به زمین امروزی تبدیل کرد. در طول دورانها، تکتونیک صفحهای پدید آمد و مواد بارها به درون زمین بازیافت شدند. در نتیجه، دانشمندان فکر نمیکردند که یافتن قطعات دستنخوردهای از پیشزمین در سنگهای کنونی امکانپذیر باشد.
امضای قاطع پتاسیم
قبلاً محققان سنگهایی با امضاهای شیمیایی غیرعادی مرتبط با عنصر روتنیوم پیدا کرده بودند که احتمالاً قدمت آنها به قبل از برخورد تشکیلدهنده ماه میرسد، اما به گفته فیلیپ کارتر، یک دانشمند محاسباتی سیارهای و اخترفیزیکدان از دانشگاه بریستول انگلستان، این امضاها به همان اندازه میتوانستند پس از برخورد نیز ایجاد شده باشند، بنابراین شواهد قاطعی ارائه نمیکردند.
با این حال، کارتر که در این مطالعه شرکت نداشته، افزود که امضاهای پتاسیم که اخیراً کشف شدهاند، قاطعترین شواهد تا به امروز هستند که نشان میدهند قطعاتی از پیشزمین هنوز وجود دارند. او گفت: «منطقیترین توضیح این است که این مواد از زمان قبل از برخورد جان سالم به در بردهاند.»
نشانههای موجود در نسبتهای پتاسیم
امضاهای تازه کشفشده، عدم تعادلهای ظریفی در نسبت نسخههای مختلف یا ایزوتوپهای عنصر پتاسیم در مقایسه با سایر مواد روی زمین هستند. پتاسیم دارای سه ایزوتوپ طبیعی — پتاسیم-۳۹، پتاسیم-۴۰ و پتاسیم-۴۱ — است که تعداد پروتونهای یکسان اما تعداد نوترونهای متفاوتی دارند و در نتیجه جرم اتمی آنها فرق میکند.
در سنگهای زمین، پتاسیم-۳۹ و پتاسیم-۴۱ غالب هستند و پتاسیم-۴۰ فقط در مقادیر ناچیز وجود دارد. در کارهای قبلی، نویسندگان مطالعه جدید، مقادیر غیرعادی از پتاسیم-۴۰ را در شهابسنگها یافتند که شرایط متغیر منظومه شمسی را در طول دورههای طولانی ثبت میکنند. این امر نشان میداد که ناهنجاریهای ایزوتوپی پتاسیم میتوانند مواد با قدمت پیش از تشکیل زمین کنونی را مشخص کنند.
برای این مطالعه جدید، نی و همکارانش از سنگهای باستانی از مناطقی که قبلاً امضاهای روتنیوم عجیبی ارائه داده بودند، نمونهبرداری کردند، از جمله برونزدههایی در گرینلند، کانادا و هاوایی. برای شناسایی هرگونه ناهنجاری احتمالی ایزوتوپی پتاسیم، محققان سنگها را پودر کرده و در اسید حل کردند. سپس پتاسیم نمونهها را جدا کرده و نسبت ایزوتوپهای مختلف پتاسیم را با استفاده از طیفسنج جرمی اندازهگیری کردند.
محققان دریافتند که این سنگها در مقایسه با مقادیر موجود در سایر مواد روی زمین، دچار کمبود پتاسیم-۴۰ هستند. برای پی بردن به اینکه آیا این ناهنجاری ایزوتوپی پتاسیم میتواند به دوران پیشزمین بازگردد، تیم شبیهسازیهای کامپیوتری انجام داد. آنها با استفاده از دادههای مربوط به هر شهابسنگ شناخته شدهای که بر روی زمین فرود آمده است، تأثیر این برخوردها و همچنین برخورد تشکیلدهنده ماه را بر ترکیب زمین از طریق رساندن مواد جدید در طول اعصار، مدلسازی کردند.
نتیجهگیری نهایی
شبیهسازیها نشان داد که به ویژه برخورد با تیا، مقدار زیادی پتاسیم-۴۰ به زمین منتقل کرده است، که میزان بالاتر پتاسیم-۴۰ را که امروزه در سنگها میبینیم، توضیح میدهد. کارتر توضیح داد: «شما باید مقدار قابل توجهی مواد اضافه کنید تا… امضای کلی و ترکیب ایزوتوپی کلی پتاسیم در بیشتر سنگها تغییر کند. بیشتر آن تغییر از خود برخورد تشکیلدهنده ماه ناشی میشود—این استدلالی است که آنها در مقاله مطرح میکنند.»
امضای پتاسیمی کشف شده در سنگهای باستانی با امضایی که نی و همکارانش قبلاً در شهابسنگها یافته بودند، متفاوت است، بنابراین بعید است که شهابسنگها بتوانند پس از برخورد تشکیلدهنده ماه، مشخصات فعلی پتاسیم زمین را ایجاد کرده باشند. کارتر گفت: «این واقعاً نشان میدهد که پیشزمین از موادی تشکیل شده که از نظر ایزوتوپی با هر یک از شهابسنگهایی که در اختیار داریم، متمایز است.»
به گفته کارتر، برخورد تشکیلدهنده ماه تنها رویداد شناخته شدهای است که میتواند میزان پتاسیم-۴۰ را در سنگهای روی زمین به طور قابل توجهی افزایش داده باشد. این بدان معناست که سنگهای دارای کمبود پتاسیم-۴۰ از گرینلند، کانادا و هاوایی، قدیمیتر از برخورد تشکیلدهنده ماه هستند و قدمت آنها به پیشزمین بازمیگردد.
مارتین شیلر، دانشیار ژئوشیمی در دانشگاه کپنهاگ دانمارک که در این مطالعه شرکت نداشته، نیز موافق است که نتایج متقاعدکننده هستند. او در ایمیلی به Live Science گفت: «مشاهده واقعاً شگفتآور/جدید این است که امضای ایزوتوپی پتاسیم [در سنگهای باستانی] را نمیتوان با مخلوطی از شهابسنگهای اولیه توضیح داد.»
این نتایج دلالت بر آن دارد که بقایای پیشزمین از فرآیندهای زمینشناختی مانند اختلاط مداوم گوشته، لایهای از زمین که زیر پوسته قرار دارد، جان سالم به در بردهاند. کارتر گفت: «این امضایی است که برای مدت زمان قابل توجهی به صورت جداگانه از بقیه سنگهای زمین حفظ شده است.» او افزود که احتمالاً مواد بیشتری از این پیشزمین در اعماق گوشته پنهان شده است. «ما فقط کمی از آن را که به بالا آمده، به دست آوردهایم.»