Межзвездное путешествие углерода на Землю

Исследование, опубликованное в журнале Science Advances показывают, что большая часть углерода на Земле, вероятно, была доставлена из межзвездной среды, материала, который существует в пространстве между звездами в галактике. Вероятно, это произошло задолго до того, как сформировался и прогрелся протопланетный диск — облако пыли и газа, окружавшее наше молодое солнце и содержавшее строительные блоки планет.

Углерод также, вероятно, был изолирован в твердые тела в течение одного миллиона лет после рождения Солнца — это означает, что углерод, основа жизни на Земле, пережил межзвездное путешествие к нашей планете.

Ранее исследователи полагали, что углерод в Земле происходит из молекул, которые первоначально присутствовали в туманном газе, который затем накапливался в скалистой планете, когда газы были достаточно холодными, чтобы молекулы осаждались.

Ученые из Университета Мичигана, Калифорнийского технологического института, Чикагского университета и Университета Миннесоты, указывают в своем исследовании, что молекулы газа, несущие углерод, не будут доступны для «строительства» Земли, потому что, как только углерод испаряется, он не конденсируется обратно в твердое тело.

«Модель конденсации широко используется на протяжении десятилетий. Она предполагает, что во время образования Солнца все элементы планеты испарились, а по мере охлаждения диска некоторые из этих газов конденсировались и подавали химические компоненты в твердые тела. Но это не работает для углерода», — сказал Джи Ли, профессор кафедры наук о Земле и окружающей среде UM.

Большая часть углерода поступала на диск в виде органических молекул. Однако, когда углерод испаряется, он производит гораздо более летучие виды, которые требуют очень низких температур для образования твердых веществ. Что еще более важно, углерод не конденсируется обратно в органическую форму. Из-за этого Ли и ее команда пришли к выводу, что большая часть углерода Земли, вероятно, унаследована непосредственно из межзвездной среды, полностью избегая испарения.

Чтобы лучше понять, как Земля получает свой углерод, ученые оценили максимальное количество углерода, которое может содержать Земля. Для этого они сравнили скорость прохождения сейсмической волны через ядро с известными скоростями звука ядра. Это сказало исследователям, что углерод, вероятно, составляет менее половины процента массы Земли. Понимание верхних границ того, сколько углерода может содержать Земля, дает исследователям информацию о том, когда углерод мог быть доставлен на планету.

«Мы задали другой вопрос: мы спросили, сколько углерода вы могли бы поместить в ядро Земли и при этом соответствовать всем ограничениям», — говорит Эдвин Бергин, профессор и заведующий кафедрой астрономии U-M. — Здесь есть неопределенность. Давайте примем неопределенность, чтобы спросить, каковы истинные верхние границы того, сколько углерода находится очень глубоко в Земле, и это скажет нам об истинном ландшафте, в котором мы находимся.»

Углерод планеты должен существовать в правильной пропорции, чтобы поддерживать жизнь, как мы ее знаем. Слишком много углерода, и атмосфера Земли будет похожа на Венеру, поглощая тепло от Солнца и поддерживая температуру около 450 градусов. Слишком мало углерода, и Земля будет напоминать Марс: негостеприимное место, неспособное поддерживать жизнь на водной основе, с температурой около минус 60.

Во втором исследовании, проведенном той же группой авторов, ученые изучили, как обрабатывается углерод, когда маленькие предшественники планет, известные как планетезимали, сохраняют углерод во время своего раннего формирования. Исследуя металлические ядра этих тел, ныне сохранившихся в виде железных метеоритов, они обнаружили, что на этом ключевом этапе планетарного происхождения большая часть углерода должна быть потеряна, поскольку планетезимали плавятся, образуют ядра и теряют газ. Это переворачивает прежние представления.

«В большинстве моделей углерод и другие жизненно важные материалы, такие как вода и азот, поступают из туманности в примитивные скалистые тела, а затем доставляются на растущие планеты, такие как Земля или Марс», — говорит Марк Хиршманн, профессор наук о Земле и окружающей среде. «Но эти модели пропускают ключевой шаг, в котором планетезимали теряют большую часть своего углерода, прежде чем они аккрецируются к планетам.»

«Планета нуждается в углероде, чтобы регулировать свой климат и позволить жизни существовать, но это очень тонкая вещь. Его не должно быть слишком мало, но и не должно быть слишком много.»

Оба исследования описывают два различных аспекта потери углерода — и предполагают, что потеря углерода, по-видимому, является центральным аспектом в построении Земли как обитаемой планеты.

«Ответ на вопрос, существуют ли подобные Земле планеты в других местах, может быть получен только путем работы на пересечении таких дисциплин, как астрономия и геохимия», — говорят ученые. «Хотя подходы и конкретные вопросы, над которыми исследователи работают, различаются в разных областях, построение последовательной истории требует выявления тем, представляющих взаимный интерес, и поиска путей преодоления интеллектуальных разрывов между ними. Сделать это непросто, но усилия одновременно стимулируют и вознаграждают.»

Джеффри Блейк, соавтор обоих исследований и профессор космохимии, планетологии и химии в Калифорнийском технологическом институте, говорит, что такого рода междисциплинарная работа имеет решающее значение.

— За всю историю одной только нашей галактики скалистые планеты, такие как Земля, собирались сотни миллионов раз вокруг таких звезд, как Солнце, — сказал он. «Можем ли мы расширить эту работу, чтобы исследовать потери углерода в планетных системах более широко? Такими исследованиями займется разнородное сообщество ученых.»

«Earth’s carbon deficit caused by early loss through irreversible sublimation» Science Advances (2021). advances.sciencemag.org/lookup … .1126/sciadv.abd3632