Vajon mennyire nehéz összegyúrni egy Földet? Mennyire számít különlegesnek kőzetek, fémek és víz megfelelő arányú keverékét összeállítani a csillagtól nem túl messzi, kellemesen meleg távolságban? Hosszú ideig úgy vélekedtek, hogy a Föld keletkezése amolyan szerencsés véletlennek köszönhető, amit a külső, korai Naprendszerből betévedő aszteroidák dúsítottak fel könnyebb elemekkel, például nitrogénnel és szénnel. Egy sor új tanulmány szerint viszont, melyek közül kettőt a közelmúltban publikáltak a Science tudományos lapban, valószínűleg minden szükséges hozzávaló a Föld közelében lehetett a kialakulása során is.

Az új eredmények meteoritok aprólékos kémiai elemzésén alapulnak, amik szerint más csillagok körüli törmelékkorongokban is bőven megtalálhatók az általunk ismert élet számára is megfelelő, nedves kőzetbolygókhoz szükséges összetevők. Eszerint sokkal gyakoribbak lehetnek az illóanyagokban gazdag bolygók. Ha nem is találkoznak a bolygórendszer külső régióiból behulló kis égitestekkel, ez nem befolyásolja a lakhatóságukat.

Nem olyan régen még az volt az általános szemlélet, hogy a fiatal Nap körül több mint 4 milliárd éve kavargó óriási gáz és porkorong összetétele közel egységes volt. Ezt a nézetet kérdőjelezték meg a tanulmányok, amikben bizonyos típusú izotópok arányait vizsgálták ismert meteorittípusokban. Az eredmények szerint a meteoritok csoportokra bonthatók, amik vélhetően a Naptól eltérő távolságokban alakulhattak ki. Az egyik ilyen csoportot alkotják a viszonylag nagy mennyiségű vizet és szerves vegyületeket tartalmazó szenes kondritok, amik valószínűleg a korai Naprendszer külső régióiból származnak, a proto-Jupiteren és a hóhatáron túlról, ahol már elég hideg volt ahhoz, hogy a víz megfagyjon. Ezzel ellentétben a közönséges kondritok a Naphoz közelebb formálódtak. Ezek a meteoritok kismértékű termális, kémiai, fizikai átalakuláson estek át, anyaguk tehát igen primitív (megőrződött bennük a Naprendszer ősi anyaga).

Egy fiatal csillag körüli gázból és porból álló protoplanetáris korong fantáziarajza. (Forrás: NASA/JPL-Caltech)

Korábban csak olyan fémek korai izotópos nyomait tudták kimutatni, amik eléggé ellenállóak voltak ahhoz, hogy átvészeljék a fiatal Nap erős sugárzását (pl. króm, titán, molibdén). A közönséges kondrit meteoritokban kimutatott izotóp arányok és ugyanazon elemek földi izotóp arányainak jó egyezéséből lehetett következtetni rá, hogy a Földet alkotó anyag és a vizsgált meteoritokat alkotó anyag a korai Naprendszer azonos tartományából származhatott.

Nem sikerült viszont a könnyebb, illékony földi elemekre vonatkozóan hasonló izotópos bizonyítékokat találni, így lassan elfogadottá vált, hogy az nem is létezik. A klasszikus kép fennmaradt, azaz ezek az illékony elemek távoli, külső régiókban állhattak össze, majd később egy születő bolygó, pl. a Jupiter, gravitációja keverhette be őket a belső Naprendszerbe.

A Földet felépítő anyagok eredetét a bolygónk keletkezésének idejéből visszamaradt anyagokat tartalmazó meteoritok segítségével be lehet határolni. A preszoláris anyagok nem tökéletes elkeveredése kis eltéréseket okoz az izotóp arányokban, amit az angol nucleosynthetic anomaly elnevezés alapján nukleoszintetikus anomáliának vagy rendellenességnek fordíthatunk. Hőálló, nehezebb elemekre, amik először porszemcsékké kondenzálódnak, már ismertek ezek az anomáliák, viszont az eddig kérdéses volt, hogy az illékonyabb elemek vajon teljesen elkeveredtek-e még a bolygók kialakulása előtt. Az új tanulmányokban közepesen illékony elemek, cink és kálium esetében sikerült kimutatni hasonló anomáliákat. Kozmokémiai modellek segítségével határozták meg, hogy a Föld tömegének körülbelül 90%-a származhat a belső Naprendszer közönséges kondritos anyagából, míg kb. 10%-a eredhet a külső Naprendszer anyagából. A külső Naprendszerből származik a Föld káliumkészletének 20%-a és cinkkészletének 50%-a is.

Egy 2020-as tanulmányban már azonosították ősi kálium izotóp nyomait meteoritokban, de csak kettő olyan izotópját tudták kimérni, amiket könnyű kalciummal vagy argonnal összetéveszteni. Emiatt nem lehetett megerősíteni, hogy valóban a primordiális korong anyagának kémiai összetételét látták. Következő lépésben így 32 meteoritban vizsgálták három különféle kálium izotóp arányát, az eredményeik szerint pedig a közönséges kondritokban mérhető kálium izotóp arányai nagyon hasonlítottak a Földön mérhető arányokhoz.

Cink izotópok arányai földi mintákban (narancssárga négyzet), szenes (zöld háromszög) és közönséges kondritokban (kék háromszög), valamint ensztatit kondritokban (szürke négyszög). (Forrás: Savage et al., 2022)

Három másik kutatócsoport hasonló nyomokat talált cink öt stabil izotópjainak esetében is, ebből kettő munka tavaly nyáron jelent meg az Icarus folyóiratban, egy pedig idén januárban a Science lapban. A kutatások kiegészítik egymást, összességében jó az egyetértés, hogy a Föld cinkkészletének több mint fele a belső Naprendszerből származik. Valószínűleg más illékony elemek eredete is hasonló lehet. Mark Rehkämper geokémikus (ICL) szerint a cink nem víz, de ahol van cink, ott tipikusan több vízre bukkanunk. A fiatal Naprendszerben valószínűleg nem volt túl sok illékony elem, de ahhoz elég volt, hogy kialakulhasson egy lakható bolygó, vagyis a víz szinte a kezdetektől jelen volt.

Folytatódik a további könnyű elemek primordiális nyomainak felkutatása, a fent idézett kutatócsoportok már dolgoznak a folytatáson. Ha sikerül elegendő mérési eredményt összegyűjteni az újszülött bolygókban felhalmozódó elemek állapotáról a bolygó fejlődésének különböző stádiumaiban, akkor részletesen rekonstruálható a Földet felépítő elemek változása a fejlődéstörténete során. Ez egy másik égető kérdésre is választ adhat, arra, hogy vajon milyen gyorsan alakulnak ki a kőzetbolygók. Elképzelhető, hogy lassan, több tíz millió év alatt a kisebb bolygómagok ütközése során, vagy gyorsabban, nagyobb anyagcsomók összeroppanásával jöttek létre. Az izotóp arányok vizsgálatával választ kaphatunk erre a kérdésre, nem csak a saját Naprendszerünk, de más bolygórendszerek esetében is. Az eredmények szerint pedig úgy fest, nem valószínű, hogy Földünk kialakulása egy egyszeri véletlen következménye.

Forrás: Science