Ученые приблизились к разгадке тайны рождения Земли и ее обитаемости

Земля сформировалась относительно быстро из облака пыли и газа, окружающего Солнце, при этом захватив из него воду и газы, часть которых сегодня заперто в мантии планеты. Об этом рассказали изотопы неона, извлеченные из подушечной лавы на дне океана. Открытие проливает свет не только на историю рождения нашего дома, но и в будущем поможет выявить потенциально обитаемые звездные системы. Выводы ученых представлены в журнале Nature.

«Мы пытались понять, где и каким образом был приобретен неон в мантии Земли, который рассказывает нам, как быстро и в каких условиях формировалась планета», – рассказывает Кертис Уильямс, соавтор исследования из Калифорнийского университета в Дейвисе (США).

Неон, в отличие от таких соединений, как вода, углекислый газ и азот, является инертным благородным газом, и на него не оказывают влияние химические и биологические процессы. Таким образом, он хранит память о том, откуда он пришел, даже спустя четыре с половиной миллиарда лет и может рассказать об истории нашей планеты.

Сегодня существуют три конкурирующие теории, рассказывающие о формировании Земли и о том, как вода и другие газы были доставлены на растущую планету. Первая говорит, что она росла относительно быстро в течение двух-пяти миллионов лет и захватила все «необходимое» для жизни из окружающего молодое Солнце облака. Вторая опирается на процесс образования пылевых зерен, которые подвергались облучению нашей звезды в течение некоторого времени, а затем, сконденсировавшись в планетезимали, принесли воду и газы на развивающуюся Землю. В третьем варианте Земля формировалась продолжительное время, а запасы пополняла благодаря падающим на нее метеоритам, богатым водой, углеродом и азотом.

От космоса до дна океана

Чтобы выяснить, какая из трех идей верна, ученые провели точное измерение отношения изотопов неона, которые были захвачены мантией Земли в момент ее образования.

Неон имеет три изотопа, неон-20, 21 и 22. Все они являются стабильными и нерадиоактивными, но неон-21 образуется при распаде урана. Таким образом, количество неона-20 и 22 на нашей планете неизменно с момента ее формирования, и останется таким навсегда. Предполагается, что каждый из трех сценариев рождения Земли согласуется с разным отношением неона-20 к неону-22.

Для определения этого коэффициента ученым пришлось подобраться максимально близко к глубинам мантии, собрав со дна Атлантического океана образцы из подушечной лавы – стекловидной породы, поднятой из недр Земли и застывшей в холодной воде.

Для анализа газов, заключенных в крошечных пузырьках базальта, исследователи поместили их в герметичную камеру и разрушили, улавливая выбросы чувствительным масс-спектрометром.

Соотношение изотопов, которое они зафиксировали, оказалось значительно выше, чем у моделей «облученных частиц» или «поздней аккреции», что склоняет чашу весов на сторону теории быстрого раннего формирования.

«Это явно указывает на то, что в глубокой мантии Земли есть небулярный неон. И, учитывая, что он является маркером источника других газов, водород, вода, углекислый газ и азот также одновременно с ним накапливались на нашей планете, а это всё ингредиенты, которые, насколько нам известно, необходимы для жизни», – добавил Кертис Уильямс.

Минимальный размер обитаемой планеты

Результаты предполагают, что для поглощения этих важных для жизни соединений планета должна достичь размера не меньше Марса до того, как туманность рассеется, и наблюдения других систем показывают, что это занимает от двух до трех миллионов лет.

Однако формируются ли миры вокруг далеких звезд по тому же сценарию? Данные массива радиотелескопов ALMA говорят: «Да!»

ALMA может видеть протопланетные диски из пыли и газа вокруг некоторых близлежащих звезд, и в ряде случаев в них обнаруживаются темные полосы.

«Есть несколько способов удаления пыли из диска, и один из них заключается в том, что в них формируются планеты. Похоже, это может быть общим способом создания обитаемых планет по всей Вселенной», – заключил Суджой Мухопадхай, ведущий автор исследования из Калифорнийского университета в Дейвисе.