Від зоряного пилу до блідо-блакитної точки: міжзоряна подорож вуглецю до Землі

Як говориться у приказці, ми всі створені із зоряного пилу, і вчені у двох дослідженнях виявили, що це може бути більш правдивим, ніж ми думали.

Про це розповідають у Мічіганському університеті.

Перше вчення, проведене під керівництвом дослідника з цього вишу Же (Джекі) Лі і опубліковане в журналі "Science Advances", показало, що більша частина вуглецю на Землі, ймовірно, надійшла з міжзоряного середовища — матеріалу, який існує в космосі між зірками в галактиці. Це, швидше за все, сталося задовго після того, як сформувався та нагрівся протопланетний диск — хмара пилу і газу, яка кружляла навколо нашого молодого Сонця і містила в собі будівельні блоки планет.

Вуглець також, ймовірно, був секвестований у тверді речовини протягом одного мільйона років після народження Сонця — це означає, що вуглець, основа життя на землі, пережив міжзоряну подорож до нашої планети.

Раніше дослідники вважали, що вуглець на Землі походить від молекул, які спершу були в газі туманності, який потім акреціювався в скелясту планету, коли гази були достатньо прохолодними, щоб молекули могли осідати. Лі та її команда, до якої входять астроном Мічіганського університету Едвін Бергін, Джеффрі Блейк з Каліфорнійського технологічного інституту, Фред Цесла з Чиказького університету та Марк Гіршманн з Університету Міннесоти, вказують у цьому дослідженні, що молекули газу, які переносять вуглець, не змогли б побудувати Землю, оскільки як тільки вуглець випаровується, він не конденсується назад у тверду речовину.

"Модель з конденсуванням широко застосовується протягом десятиліть. Вона передбачає, що під час утворення Сонця всі елементи планети випарувалися, і в міру охолодження диска деякі з цих газів конденсувалися і постачали хімічні інгредієнти в тверді тіла. Але це не працює з вуглецем", - каже Лі, професор кафедри наук про Землю та навколишнє середовище Мічіганського університету.

Значна частина вуглецю надходила на диск у вигляді органічних молекул. Однак, коли вуглець випаровується, він утворює набагато більш летючі види, яким для утворення твердих речовин потрібні дуже низькі температури. Що ще важливіше, вуглець не конденсується знову в органічну форму. Через це Лі та її команда прийшли до висновку, що більша частина вуглецю на Землі, ймовірно, успадкувалась безпосередньо від міжзоряного середовища, повністю уникаючи випаровування.

Щоб краще зрозуміти як Земля набула вуглець, Лі підрахувала максимальну кількість вуглецю, яку може містити Земля. Для цього вона порівняла швидкість проходження сейсмічної хвилі крізь ядро із відомими швидкостями звуку для ядра. Це розповіло дослідникам, що вуглець, ймовірно, становить менше піввідсотка маси Землі. Розуміння верхніх меж того, скільки вуглецю може містити Земля, дозволяє дослідникам отримати інформацію про те, коли вуглець міг бути сюди доставлений.

"Ми задали інше питання: ми запитали, скільки вуглецю ви можете запхнути в ядро Землі, і при цьому залишатися сумісними зі всіма обмеженням", - сказав Бергін, професор і завідувач кафедри астрономії Мічіганського університету. "Тут є невизначеність. Давайте приймемо цю невизначеність, щоб запитати, які справжні верхні межі того, скільки вуглецю знаходиться дуже глибоко в Землі, і це розповість нам щодо істинного ландшафту, в якому ми перебуваємо".

Вуглець в планеті повинен існувати в правильній пропорції, щоб підтримувати життя таким, яким ми його знаємо. Занадто багато вуглецю, і атмосфера Землі буде схожа на Венеру, утримуючи тепло від Сонця і підтримуючи температуру близько 470 градусів за Цельсієм. Занадто мало вуглецю, і Земля буде нагадувати Марс: негостинне місце, не здатне забезпечити життя на водній основі, з температурою близько мінус 60.

У другому дослідженні тієї ж групи авторів, але під керівництвом Гіршманна з Університету Міннесоти, дослідники вивчили, як переробляється вуглець, коли невеликі попередники планет, відомі як планетезималі, утримують вуглець на ранніх стадіях свого формування. Досліджуючи металеві ядра цих тіл, які сьогодні збереглися як залізні метеорити, вони виявили, що під час цього ключового етапу планетарного походження велика частина вуглецю повинна бути втрачена, оскільки планетезималі плавляться, утворюють ядра і втрачають газ. Це змінює попередні уявлення, говорить Гіршманн.

"У більшості моделей вуглець та інші життєво важливі матеріали, такі як вода та азот, надходять з туманності в примітивні скелясті тіла, а потім доставляються на планети, що зростають, такі як Земля або Марс", - сказав Гіршманн, професор наук про Землю та навколишнє середовище. "Але це пропускає ключовий крок, коли планетезималі втрачають значну частину вуглецю, перш ніж вони акреюються у планети".

Дослідження Гіршманна нещодавно було опубліковане у Proceedings of the National Academy of Sciences ("Праці Національної академії наук").

"Планета потребує вуглецю, щоб регулювати свій клімат і дозволяти існувати життю, але це дуже делікатна річ", - сказав Бергін. "Ви не хочете мати занадто мало, але не хочете мати занадто багато".

Бергін каже, що обидва дослідження описують два різні аспекти втрат вуглецю і припускають, що втрати вуглецю, видимо, є центральним аспектом у побудові Землі як придатної для життя планети.

"Відповісти на питання, чи існують подібні до Землі планети де де-небудь іще, можна отримати лише працюючи на стику таких дисциплін, як астрономія та геохімія", - сказала Цесла, професор геофізичних наук з Чиказького університету. "Хоча підходи та конкретні запитання, над відповідями на які дослідники працюють, різняться між собою за різними галузями, для створення цілісної історії потрібно визначити теми, що становлять взаємний інтерес, і знайти шляхи подолання інтелектуальних прогалин між ними. Це складно, але зусилля стимулюють та нагороджують".

Блейк, співавтор обох досліджень та професор космохімії та планетарних наук, а також хімії з Калтех, каже, що така міждисциплінарна робота має вирішальне значення.

"Протягом історії лише нашої галактики скелясті планети, такі як Земля або трохи більші, були зібрані сотні мільйонів разів навколо таких зірок, як Сонце", - сказав він. "Чи можемо ми розширити цю роботу для більш широкого вивчення втрат вуглецю в планетарних системах? Для таких досліджень знадобиться різноманітна спільнота вчених".

! Читайте ще цікаві новини про космос на сайті, або слідкуйте за ними на Facebook.