دانشمندان مدت‌هاست که از خود می‌پرسند چرا ترکیب کلی زمین کاملاً با مخلوط مواد یافت‌شده در شهاب‌سنگ‌های باستانی مطابقت ندارد. یک فرضیه این بوده است که پروتوزمین (زمین اولیه: آنچه به مراحل اولیه زمین، قبل از تشکیل ماه، اطلاق می‌شود) انواع مختلفی از مواد را نسبت به آنچه پس از برخورد عظیم که ماه را ایجاد کرد، جمع‌آوری کرده است!
برای بررسی این ایده، دانشمندان در ام‌آی‌تی و مراکز پژوهشی دیگر، میزان پتاسیم-۴۰ و سایر ایزوتوپ‌های پتاسیم را در سنگ‌های از اعماق زمین و از زمان‌های مختلف تاریخ زمین با دقت اندازه‌گیری کردند. برای انجام این کار، آنها از یک روش بسیار دقیق به نام طیف‌سنجی جرمی یونش حرارتی استفاده کردند.
در اولین فصل از داستان طولانی سیاره ما، زمین دنیایی داغ و صخره‌ای بود که از گدازه می‌جوشید. سپس، یک تصادم عظیم رخ داد: یک شیء به اندازه مریخ به این جرم آسمانی جوان برخورد کرد. این ضربه چنان قدرتمند بود که درون سیاره را ذوب کرد و ترکیب شیمیایی آن را تغییر داد. برای مدت طولانی، دانشمندان فکر می‌کردند که این برخورد غول‌آسا تمام نشانه‌های آنچه زمین در اصل از آن ساخته شده بود را پاک کرده است.
اما تحقیقات جدید ام‌آی‌تی داستان متفاوتی را روایت می‌کند. دانشمندان یک سرنخ شیمیایی منحصر‌به‌فرد در سنگ‌های باستانی کشف کردند. این ترکیب غیرعادی از ایزوتوپ‌های پتاسیم با بیشتر مواد امروزی زمین متفاوت است. برخوردهای فضایی بزرگ یا زمین‌شناسی کنونی زمین نمی‌توانند این عدم تعادل را توضیح دهند، زیرا ممکن است این عدم تعادل باقیمانده‌ای از روزهای اولیه سیاره باشد که به نحوی از برخورد عظیمی که همه چیز را از نو شکل داد، جان سالم به در برده است.
نیکول نی از ام‌آی‌تی می‌گوید:
این شاید اولین شواهد مستقیم باشد مبنی بر اینکه ما مواد پروتوزمین را حفظ کرده‌ایم. ما قطعه‌ای از زمین بسیار باستانی را می‌بینیم، حتی قبل از برخورد عظیم. این شگفت‌انگیز است زیرا انتظار داشتیم که این نشانۀ بسیار اولیه به آرامی در طول تکامل زمین محو شود.
در سال ۲۰۲۳، نی و تیمش شهاب‌سنگ‌هایی را از سراسر جهان مطالعه کردند. این سنگ‌های فضایی مدت‌ها پیش در قسمت‌های مختلف منظومه شمسی تشکیل شده‌اند، بنابراین سرنخ‌هایی در مورد چگونگی تغییر منظومه شمسی در طول زمان در خود دارند. هنگامی‌که دانشمندان به ترکیب شیمیایی این شهاب‌سنگ‌ها نگاه کردند، چیز غیرعادی در مورد پتاسیم، یک عنصر رایج، پیدا کردند. پتاسیم در سه نوع وجود دارد که ایزوتوپ نامیده می‌شوند: ۳۹، ۴۰ و ۴۱. در زمین، ما بیشتر پتاسیم-۳۹ و پتاسیم-۴۱ را می‌بینیم. پتاسیم-۴۰ بسیار نادر است.
اما در شهاب‌سنگ‌ها، مخلوط ایزوتوپ‌های پتاسیم متفاوت بود. این «ناهنجاری پتاسیم» نشان داد که شهاب‌سنگ‌ها حاوی موادی از قبل از شکل کنونی زمین هستند، احتمالاً از پروتوزمین اولیه، قبل از اینکه یک برخورد عظیم شیمی آن را تغییر دهد.
نی توضیح می‌دهد:
در آن کار، ما دریافتیم که شهاب‌سنگ‌های مختلف، امضاهای ایزوتوپی پتاسیم متفاوتی دارند، و این به این معنی است که می‌توان از پتاسیم به عنوان یک ردیاب برای بلوک‌های سازنده زمین استفاده کرد.
مطالعه کنونی به دنبال یافتن نشانه‌هایی از ناهنجاری‌های پتاسیم مشابه در زمین بود. نمونه‌ها شامل سنگ‌های مافیک آرکئن مشتق شده از گوشته هادئن-نئوارکئن (از جمله نمونه‌هایی از ایسوآ، نووواگیتوک و کراتون کاپواال) و برخی بازالت‌های مدرن جزایر اقیانوسی (از جزیره ریونیون و آتشفشان کامائهواکانالوآ هاوایی) بودند.
دانشمندان کار خود را با حل کردن نمونه‌های پودر سنگ در اسید آغاز کردند. سپس، آنها پتاسیم را جدا و از یک طیف‌سنج جرمی مخصوص استفاده کردند تا میزان حضور هر ایزوتوپ را اندازه‌گیری کنند. دانشمندان دریافتند که نمونه‌های سنگی آنها سطوح پتاسیم-۴۰ حتی کمتر از حد معمول داشتند. در زمین، پتاسیم-۴۰ در مقایسه با انواع دیگر پتاسیم نادر است، اما در این سنگ‌های باستانی، حتی کمیاب‌تر بود، مانند دیدن یک دانه شن قهوه‌ای در یک سطل پر از دانه‌های زرد.
بنابراین سوال بزرگ این است که آیا این سنگ‌ها می‌توانند قطعاتی از پروتوزمین باشند؟ محققان فکر می‌کنند که این امکان وجود دارد. آنها معتقدند که پروتوزمین ممکن است با موادی که پتاسیم-۴۰ کمی داشتند، شروع شده باشد. اما پس از برخورد عظیم و بسیاری از برخوردهای کوچک‌تر شهاب‌سنگی، بیشتر آن مواد اصلی از نظر شیمیایی بازآفرینی شدند و زمین غنی از پتاسیم را که امروز می‌شناسیم، به جای گذاشتند.
این تیم داده‌های ترکیبی را از تمام شهاب‌سنگ‌های شناخته‌شده جمع‌آوری کرد و شبیه‌سازی‌هایی را اجرا کرد تا ببیند چگونه سطوح پتاسیم-۴۰ زمین ممکن است در طول زمان تغییر کرده باشد. آنها مدل‌سازی کردند که چه اتفاقی پس از برخوردهای بزرگ و پس از فرآیندهای زمین‌شناسی طولانی‌مدت، مانند گرم شدن و مخلوط شدن در اعماق زمین، رخ می‌دهد. دانشمندان کشف کردند که برخوردها و تغییرات طبیعی زمین در طول زمان، میزان پتاسیم-۴۰ را کمی افزایش می‌دهند، شبیه به آنچه که امروزه در اکثر سنگ‌ها مشاهده می‌کنیم. به همین دلیل است که نمونه‌های باستانی از کانادا، گرینلند و هاوایی، که حتی پتاسیم-۴۰ کمتری دارند، منحصر‌به‌فرد هستند. آنها ممکن است بقایای نادری از زمین در روزهای اولیه آن باشند که تحت تأثیر تغییرات بعدی قرار نگرفته‌اند.
این مطالعه نشان می‌دهد که سنگ‌هایی با سطوح پتاسیم-۴۰ کمتر از حد معمول ممکن است بقایای باستانی از پروتوزمین باشند.
جالب اینجاست که امضای شیمیایی در این نمونه‌های باستانی زمین دقیقاً با هیچ شهاب‌سنگ شناخته شده‌ای مطابقت ندارد. برخی از شهاب‌سنگ‌ها الگوهای غیرعادی پتاسیم را نشان می‌دهند، اما هیچ کدام همان نوع کمبود پتاسیم-۴۰ را که در این سنگ‌های مظنون به پروتوزمین یافت می‌شود، نشان نمی‌دهند.
به گفته نی:
دانشمندان تلاش کرده‌اند تا ترکیب شیمیایی اصلی زمین را با ترکیب کردن مواد گروه‌های مختلف شهاب‌سنگی درک کنند. اما مطالعه ما نشان می‌دهد که موجودی فعلی شهاب‌سنگ‌ها کامل نیست و چیزهای بسیار بیشتری برای یادگیری در مورد اینکه سیاره ما از کجا آمده است، وجود دارد.
این مطالعه در مجله “Nature Geoscience” منتشر شده است.
منبع: Newatlas
