Новая работа Стивена Элардо и Аната Шахара из Карнеги показывает, что взаимодействие между железом и никелем при экстремальных давлениях и температурах, подобных недрам планеты, может помочь ученым понять период юности нашей Солнечной системы, когда формировались планеты и их ядра. были созданы. Их выводы опубликованы Nature Geoscience.
Земля и другие каменистые планеты образовались в результате медленного срастания материи, окружающей наше молодое Солнце. В какой-то момент в самые ранние годы Земли ее ядро сформировалось в результате процесса, называемого дифференциацией, когда более плотные материалы, такие как железо, погружались внутрь к центру. Это сформировало слоистый состав, который планета имеет сегодня, с железным ядром и силикатной верхней мантией и корой.
Ученые не могут брать образцы ядер планет. Но они могут изучать химию железа, чтобы понять разницу между событием дифференциации Земли и тем, как этот процесс, вероятно, работал на других планетах и астероидах.
Одним из ключей к исследованию периода дифференциации Земли является изучение вариаций изотопов железа в образцах древних горных пород и минералов с Земли, а также с Луны и других планет или планетарных тел.
Каждый элемент содержит уникальное и фиксированное количество протонов, но количество нейтронов в атоме может варьироваться. Каждая вариация представляет собой отдельный изотоп. В результате этой разницы в нейтронах изотопы имеют немного разные массы. Эти небольшие различия означают, что некоторые изотопы предпочтительнее для определенных реакций, что приводит к дисбалансу в соотношении каждого изотопа, включенного в конечные продукты этих реакций.
Одной выдающейся загадкой на этом фронте была значительная разница между соотношениями изотопов железа, обнаруженными в образцах затвердевшей лавы, извергавшейся из верхней мантии Земли, и образцах примитивных метеоритов, астероидов, Луны и Марса. Другие исследователи предположили, что эти изменения были вызваны гигантским столкновением, образовавшим Луну, или химическими изменениями в солнечной туманности.
Элардо и Шахар смогли использовать лабораторные инструменты, чтобы имитировать условия, обнаруженные глубоко внутри Земли и других планет, чтобы определить, почему соотношение изотопов железа может варьироваться в зависимости от различных условий формирования планет.
Они обнаружили, что никель является ключом к разгадке тайны.
В условиях формирования ядер Луны, Марса и астероида Веста преимущественное взаимодействие с никелем сохраняет высокие концентрации более легких изотопов железа в мантии. Однако в условиях более высокой температуры и более высокого давления, ожидаемых в процессе формирования ядра Земли, этот эффект никеля исчезает, что может помочь объяснить различия между лавами с Земли и других планетарных тел, а также сходство между мантией Земли и примитивными метеоритами.
«Еще многое предстоит узнать о геохимической эволюции планет», - сказал Элардо. «Но лабораторные эксперименты позволяют нам исследовать глубины, которых мы не можем достичь, и понять, как недра планет формировались и менялись с течением времени».