Η καρδιά ξυλοδαρμού του πλανήτη μας παρέμεινε ένα μυστήριο για τους επιστήμονες που ψάχνουν για το πώς διαμορφώθηκε η Γη και τι πήγε στη δημιουργία της. Αλλά μια πρόσφατη μελέτη ήταν σε θέση να αναδημιουργήσει τις έντονες πιέσεις που προσεγγίζουν εκείνες που βρέθηκαν στο κέντρο της Γης, προσφέροντας στους ερευνητές μια ματιά στις πρώτες μέρες του πλανήτη μας, ακόμα και τι μπορεί να μοιάζει ο πυρήνας τώρα.
Ανέφεραν τα συμπεράσματά τους σε πρόσφατο τεύχος του περιοδικού Science . "Αν καταλάβουμε ποια στοιχεία βρίσκονται στον πυρήνα, μπορούμε να κατανοήσουμε καλύτερα τις συνθήκες υπό τις οποίες σχηματίστηκε η Γη, η οποία θα μας ενημερώσει σχετικά με την αρχική ιστορία του ηλιακού συστήματος", δήλωσε ο συνάδελφος της μελέτης Anat Shahar, γεωχημικός στο Ινστιτούτο της Carnegie Science στην Ουάσινγκτον, DC Θα μπορούσε επίσης να δώσει στους ερευνητές μια ματιά στο πώς ήρθαν να γίνουν και άλλοι βραχώδεις πλανήτες, τόσο στο δικό μας ηλιακό σύστημα όσο και εκτός αυτού.
Η Γη σχηματίστηκε πριν από περίπου 4, 6 δισεκατομμύρια χρόνια μέσω αμέτρητων συγκρούσεων ανάμεσα σε βραχώδη σώματα που κυμαίνονται σε μέγεθος από αντικείμενα μεγέθους Άρη έως αστεροειδείς. Καθώς η πρώιμη Γη μεγάλωσε, η εσωτερική πίεση και θερμοκρασία της αυξήθηκαν επίσης.
Αυτό είχε συνέπειες για το πώς ο σίδηρος - ο οποίος αποτελεί τον μεγαλύτερο μέρος του πυρήνα της Γης - αλληλεπιδρά χημικά με ελαφρύτερα στοιχεία όπως το υδρογόνο, το οξυγόνο και ο άνθρακας, καθώς το βαρύτερο μέταλλο διαχωρίζεται από το μανδύα και βυθίζεται στο εσωτερικό του πλανήτη. Ο μανδύας είναι το στρώμα ακριβώς κάτω από το φλοιό της Γης και η κίνηση του λειωμένου πετρώματος μέσω αυτής της περιοχής οδηγεί στην τεκτονική πλάκας.
Οι επιστήμονες έχουν αναγνωρίσει από καιρό ότι η μεταβολή των θερμοκρασιών μπορεί να επηρεάσει τον βαθμό στον οποίο μια έκδοση, ή ισότοπο, ενός στοιχείου όπως ο σίδηρος γίνεται μέρος του πυρήνα. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται κλασμάτωση ισοτόπων.
Πριν από τώρα, ωστόσο, η πίεση δεν θεωρήθηκε κρίσιμη μεταβλητή που επηρέασε αυτή τη διαδικασία. "Στη δεκαετία του '60 και του '70, πραγματοποιήθηκαν πειράματα που αναζητούσαν αυτές τις επιπτώσεις πίεσης και κανένας δεν βρέθηκε", λέει ο Shahar, ο οποίος είναι μέλος του προγράμματος Observatory Deep Carbon. «Τώρα γνωρίζουμε ότι οι πιέσεις που δοκιμάζονταν - περίπου δύο gigapascals [GPa] - δεν ήταν αρκετά υψηλές».
Ένα έγγραφο του 2009 από άλλη ομάδα πρότεινε ότι η πίεση θα μπορούσε να έχει επηρεάσει τα στοιχεία που το έκαναν στον πυρήνα του πλανήτη μας. Έτσι, η Shahar και η ομάδα της αποφάσισαν να επανερευνήσουν τα αποτελέσματά της, αλλά χρησιμοποιώντας εξοπλισμό που θα μπορούσε να επιτύχει πιέσεις μέχρι 40 GPa-πολύ πιο κοντά στα 60 GPa που πιστεύουν οι επιστήμονες ήταν ο μέσος όρος κατά τη διάρκεια του πρώιμου σχηματισμού πυρήνα της Γης.
Σε πειράματα που πραγματοποιήθηκαν στο Advanced Laser Photon Source του Υπουργείου Ενέργειας του Αμερικανικού Ωδείου, στο εργαστήριο του Office of Science στο Εθνικό Εργαστήριο Argonne στο Illinois, η ομάδα τοποθετούσε μικρά δείγματα σιδήρου αναμεμειγμένα με υδρογόνο, άνθρακα ή οξυγόνο μεταξύ των σημείων δύο διαμαντιών. Οι πλευρές αυτού του "δακτυλιοειδούς στοιχείου διαμαντιού" στη συνέχεια συμπιέστηκαν μαζί για να παράγουν τεράστιες πιέσεις.
Στη συνέχεια, τα μετασχηματισμένα δείγματα σιδήρου βομβαρδίστηκαν με ακτίνες Χ υψηλής ισχύος. "Χρησιμοποιούμε τις ακτίνες Χ για να διερευνήσουμε τις δονητικές ιδιότητες των φάσεων σιδήρου", δήλωσε ο Shahar. Οι διάφορες συχνότητες των δονήσεων της έδειξαν ποιες εκδοχές του σιδήρου είχαν στα δείγματα της.
Αυτό που βρήκε η ομάδα είναι ότι η υπερβολική πίεση επηρεάζει την κλασματοποίηση των ισοτόπων. Συγκεκριμένα, η ομάδα ανακάλυψε ότι οι αντιδράσεις μεταξύ σιδήρου και υδρογόνου ή άνθρακα - δύο στοιχεία που θεωρούνται ότι υπάρχουν στον πυρήνα - θα έπρεπε να έχουν αφήσει πίσω τους μια υπογραφή σε πετρώματα από μανδύα. Αλλά αυτή η υπογραφή δεν βρέθηκε ποτέ.
"Συνεπώς, δεν πιστεύουμε ότι το υδρογόνο και ο άνθρακας είναι τα κύρια ελαφρά στοιχεία στον πυρήνα", δήλωσε ο Shahar.
Αντίθετα, ο συνδυασμός σιδήρου και οξυγόνου δεν θα είχε αφήσει ένα ίχνος πίσω στο μανδύα, σύμφωνα με τα πειράματα της ομάδας. Συνεπώς, είναι ακόμα πιθανό ότι το οξυγόνο θα μπορούσε να είναι ένα από τα ελαφρύτερα στοιχεία του πυρήνα της Γης.
Τα ευρήματα υποστηρίζουν την υπόθεση ότι το οξυγόνο και το πυρίτιο συνθέτουν το μεγαλύτερο μέρος των ελαφρών στοιχείων που διαλύονται στον πυρήνα της Γης, λέει ο Joseph O'Rourke, γεωφυσικός στο Caltech στην Pasadena της Καλιφόρνια, ο οποίος δεν συμμετείχε στη μελέτη.
"Το οξυγόνο και το πυρίτιο είναι εξαιρετικά άφθονα στο μανδύα και γνωρίζουμε ότι είναι διαλυτά στο σίδηρο σε υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις", λέει ο O'Rourke. "Δεδομένου ότι το οξυγόνο και το πυρίτιο είναι βασικά εγγυημένα για να εισέλθουν στον πυρήνα, δεν υπάρχει πολύ περιθώριο για άλλους υποψήφιους όπως το υδρογόνο και ο άνθρακας."
Η Shahar είπε ότι η ομάδα της σχεδιάζει να επαναλάβει το πείραμά της με πυρίτιο και θείο, άλλα πιθανά συστατικά του πυρήνα. Τώρα που έχουν δείξει ότι η πίεση μπορεί να επηρεάσει την κλασμάτωση, η ομάδα σχεδιάζει επίσης να εξετάσει τις επιδράσεις της πίεσης και της θερμοκρασίας μαζί, τις οποίες προβλέπουν ότι θα αποδώσει διαφορετικά αποτελέσματα από ό, τι το ένα μόνο. "Τα πειράματά μας έγιναν όλα με στερεά δείγματα σιδήρου σε θερμοκρασία δωματίου. Αλλά κατά τη διάρκεια του σχηματισμού πυρήνα, όλα ήταν λειωμένα ", είπε ο Shahar.
Τα ευρήματα από τέτοια πειράματα θα μπορούσαν να έχουν σχέση με τους εξωπλανήτες ή τους πλανήτες πέρα από το δικό μας ηλιακό σύστημα, λένε οι επιστήμονες. "Επειδή για τους εξωπλανήτες, βλέπετε μόνο τις επιφάνειες ή τις ατμόσφαιρές τους", είπε ο Shahar. Αλλά πώς οι εσωτερικοί χώροι τους επηρεάζουν αυτό που συμβαίνει στην επιφάνεια, ρώτησε. "Η απάντηση στις ερωτήσεις αυτές θα επηρεάσει εάν υπάρχει ή όχι ζωή σε έναν πλανήτη".
Μάθετε για αυτή την έρευνα και περισσότερα στο Παρατηρητήριο Deep Carbon.
Σημείωμα του συντάκτη, 5 Μαΐου 2016: Αυτή η ιστορία τοποθετούσε αρχικά την περιοχή των πειραμάτων στην Ουάσινγκτον, DC Διεξήχθησαν σε εργαστήριο στο Ιλλινόις.
