От звездной пыли до бледно-голубой точки: межзвездное путешествие углерода к Земле

Как говорится в поговорке, мы все из звездной пыли, и ученые в двух исследованиях обнаружили, что это может быть более правдивым, чем мы думали.

Об этом рассказывают в Мичиганском университете.

Первое учение, проведенное под руководством исследователя из этого вуза Же (Джеки) Ли и опубликованное в журнале "Science Advances", показало, что большая часть углерода на Земле, вероятно, поступила из межзвездной среды — материала, который существует в космосе между звездами в галактике. Это, скорее всего, произошло задолго после того, как сформировался и нагрелся протопланетный диск — облако пыли и газа, которое кружило вокруг нашего молодого Солнца и включало в себя строительные блоки планет.

Углерод также, вероятно, был секвестирован в твердые вещества в течение одного миллиона лет после рождения Солнца — это значит, что углерод, основа жизни на земле, пережил межзвездное путешествие к нашей планете.

Ранее исследователи считали, что углерод на Земле происходит от молекул, которые сначала были в газе туманности, который затем аккрецировались в скалистую планету, когда газы были достаточно прохладными, чтобы молекулы могли оседать. Ли и ее команда, в которую входят астроном Мичиганского университета Эдвин Бергин, Джеффри Блейк из Калифорнийского технологического института, Фред Цесла из Чикагского университета и Марк Гиршманн из Университета Миннесоты, указывают в этом исследовании, что молекулы газа, которые переносят углерод, не смогли бы построить Землю, поскольку как только углерод испаряется, он не конденсируется обратно в твердое вещество.

"Модель с конденсированием широко применяется в течение десятилетий. Она предусматривает, что при образовании Солнца все элементы планеты испарились, и по мере охлаждения диска некоторые из этих газов конденсировались и поставляли химические ингредиенты в твердые тела. Но это не работает с углеродом", - говорит Ли, профессор кафедры наук о Земле и окружающей среде Мичиганского университета.

Значительная часть углерода поступала на диск в виде органических молекул. Однако, когда углерод испаряется, он образует гораздо более летучие виды, которым для образования твердых веществ нужны очень низкие температуры. Что еще важнее, углерод не конденсируется снова в органическую форму. Из-за этого Ли и ее команда пришли к выводу, что большая часть углерода на Земле, вероятно, унаследовалась непосредственно от межзвездной среды, полностью избегая испарения.

Чтобы лучше понять как Земля приобрела углерод, Ли подсчитала максимальное количество углерода, который может содержать Земля. Для этого она сравнила скорость прохождения сейсмической волны сквозь ядро с известными скоростями звука для ядра. Это рассказало исследователям, что углерод, вероятно, составляет менее полпроцента массы Земли. Понимание верхних границ того, сколько углерода может содержать Земля, позволяет исследователям получить информацию о том, когда углерод мог быть сюда доставлен.

"Мы задали другой вопрос: мы спросили, сколько углерода можно запихнуть в ядро Земли, и при этом оставаться совместимыми со всеми ограничением", - сказал Бергин, профессор и заведующий кафедрой астрономии Мичиганского университета. "Здесь есть неопределенность. Давайте примем эту неопределенность, чтобы спросить, каковы истинные верхние пределы того, сколько углерода находится очень глубоко в Земле, и это расскажет нам о истинном ландшафте, в котором мы находимся".

Углерод на планете должен существовать в правильной пропорции, чтобы поддерживать жизнь такой, какой мы ее знаем. Слишком много углерода, и атмосфера Земли будет похожа на Венеру, удерживая тепло от Солнца и поддерживая температуру около 470 градусов по Цельсию. Слишком мало углерода, и Земля будет напоминать Марс: негостеприимной место, не способное обеспечить жизнь на водной основе, с температурой около минус 60.

Во втором исследовании той же группы авторов, но под руководством Гиршманна из Университета Миннесоты, исследователи изучили, как перерабатывается углерод, когда небольшие предшественники планет, известные как планетезимали, содержат углерод на ранних стадиях своего формирования. Исследуя металлические ядра этих тел, которые сегодня сохранились как железные метеориты, они обнаружили, что во время этого ключевого этапа планетарного происхождения большая часть углерода должна быть потеряна, поскольку планетезимали плавятся, образуют ядра и теряют газ. Это меняет прежние представления, говорит Гиршманн.

"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", - сказал Гиршманн, профессор наук о Земле и окружающей среде. "Но это пропускает ключевой шаг, когда планетезимали теряют значительную часть углерода, прежде чем они аккрецируются в планеты".

Исследование Гиршманна недавно было опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences ("Труды Национальной академии наук").

"Планета нуждается ауглероде, чтобы регулировать свой климат и позволять существовать жизни, но это очень деликатная вещь", -сказал Бергин. "Вы не хотите иметь слишком мало, но не хотите иметь слишком много".

Бергин говорит, что оба исследования описывают два различных аспектах потери углерода и предполагают, что потерч углерода, видимо, является центральным аспектом в построении Земли как пригодной для жизни планеты.

"Ответить на вопрос, существуют ли подобные Земле планеты где где-нибудь еще, можно получить только работая на стыке таких дисциплин, как астрономия и геохимия", - сказала Цесла, профессор геофизических наук Чикагского университета. "Хотя подходы и конкретные вопросы, над ответами на которые исследователи работают, различаются между собой по различным отраслям, для создания целостной истории нужно определить темы, представляющие взаимный интерес, и найти пути преодоления интеллектуальных пробелов между ними. Это сложно, но усилия стимулируются и награждаются".

Блейк, соавтор обоих исследований и профессор космохимии и планетарных наук, а также химии из Калтех, говорит, что такая междисциплинарная работа имеет решающее значение.

"На протяжении истории только нашей галактики скалистые планеты, такие как Земля или чуть большие, были собраны сотни миллионов раз вокруг таких звезд, как Солнце", - сказал он. "Можем ли мы расширить эту работу для более широкого изучения потерь углерода в планетарных системах? Для таких исследований понадобится разнообразное сообщество ученых".

! Читайте еще интересные новости о космосе на сайте или следите за ними на Facebook.