Bolygónk dobogó szíve rejtély maradt azoknak a tudósoknak, akik megvizsgálták, hogyan alakult ki a Föld és mi ment a létrehozásába. Egy nemrégiben készült tanulmány azonban képes volt visszaállítani a Föld közepén talált erőteljes nyomást, ezáltal bepillantást nyújtva a kutatókba a bolygónk korai napjaiban, és még abban is, hogy a mag miként nézhet ki most.
Megállapításaikat a Science folyóirat nemrégiben jelentették be. "Ha kitaláljuk, mely elemek vannak a magban, jobban megérthetjük azokat a körülményeket, amelyek között a Föld képződött, amely ezután tájékoztat a Naprendszer korai történetéről" - mondta Anat Shahar, a tanulmány vezető szerzője, a Carnegie Tudományos Intézet geokémikusa. Washington DC-ben is bepillantást adhat a kutatókba abban, hogy miként jöttek létre más sziklás bolygók, mind a saját Naprendszerünkben, mind azon túl.
A Föld körülbelül 4, 6 milliárd évvel ezelőtt képződött számtalan ütközésen keresztül a sziklás testek között, méretükben a Mars méretű tárgyaktól egészen az aszteroidáig. A korai Föld növekedésével belső nyomása és hőmérséklete szintén nőtt.
Ennek kihatása volt arra, hogy a vas - amely a Föld magját tölti be - kémiailag kölcsönhatásba lépnek olyan könnyebb elemekkel, mint a hidrogén, az oxigén és a szén, mivel a nehezebb fém a köpenytől elválasztott és a bolygó belsejébe süllyedt. A köpeny a földkéreg alatt található réteg, és az olvadt kőzet ezen a térségen keresztüli mozgása megnöveli a lemeztektonikát.
A tudósok régóta felismerték, hogy a változó hőmérsékletek befolyásolhatják annak mértékét, ameddig egy elem, például a vas változata vagy izotópja a mag részévé válik. Ezt a folyamatot izotóp-frakcionálásnak nevezzük.
Korábban azonban a nyomást nem tekintették kritikus változónak, amely befolyásolta ezt a folyamatot. „A 60-as és 70-es években kísérleteket végeztünk ezeknek a nyomáshatásoknak a keresésére, és egyiket sem találtak meg” - mondja Shahar, aki a Deep Carbon Observatory program része. "Most már tudjuk, hogy az általuk tesztelt nyomás - körülbelül két gigapaszkal [GPa] - nem volt elég magas."
Egy másik csapat 2009. évi tanulmánya azt sugallta, hogy a nyomás befolyásolhatta azokat az elemeket, amelyek bolygónk magjává váltak. Tehát Shahar és csapata úgy döntött, hogy újból megvizsgálja annak hatásait, de olyan berendezéseket használva, amelyek akár 40 GPa nyomást is elérhetnek - sokkal közelebb ahhoz a 60 GPa-hoz, amely a tudósok szerint a Föld korai magképződésének átlaga volt.
Az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának Fejlett fotonforrása, az Illinois állambeli Argonne Nemzeti Laboratórium Tudományos Irodájának felhasználói központjában végzett kísérletek során a csoport két gyémánt pontja közé kis mennyiségű vasat tartalmazott hidrogénnel, széntel vagy oxigénnel keverve. Ezután a „gyémánt üllő cella” oldalait összepréselték, hogy óriási nyomást keltsenek.
Ezután a transzformált vasmintákat nagy teljesítményű röntgen sugarakkal bombázták. "A röntgenfelvételeket használjuk a vasfázisok rezgési tulajdonságainak vizsgálatára" - mondta Shahar. A különböző rezgési frekvenciák megmondták neki, hogy a vas mely verziói vannak a mintáiban.
A csapat megállapította, hogy a szélsőséges nyomás befolyásolja az izotópok frakcionálását. A csoport elsősorban azt fedezte fel, hogy a vas és a hidrogén vagy a szén - a magban jelen lévő két elem - közötti reakcióknak alávetést kellett volna hagyniuk a köpenyekben. De ezt az aláírást soha nem találták meg.
"Ezért nem gondoljuk, hogy a hidrogén és a szén a fő fényelemek a magban" - mondta Shahar.
A csoport kísérletei szerint ezzel szemben a vas és az oxigén kombinációja nem hagyott nyomot a köpenyben. Tehát továbbra is lehetséges, hogy az oxigén lehet a világ egyik könnyebb eleme.
Az eredmények alátámasztják azt a hipotézist, miszerint az oxigén és a szilícium alkotja a Föld magjában oldódó fényelemek nagy részét - mondja Joseph O'Rourke, a kaliforniai Pasadena-i Caltech geofizikusa, aki nem vett részt a vizsgálatban.
"Az oxigén és a szilícium rendkívül bőséges a köpenyben, és tudjuk, hogy magas hőmérsékleten és nyomáson oldódnak a vasban" - mondja O'Rourke. "Mivel az oxigén és a szilícium alapvetően garantáltan bejut a magba, nincs sok hely más jelöltek számára, mint például a hidrogén és a szén."
Shahar elmondta, hogy csapata azt tervezi, hogy megismétli a szilíciummal és kénnel, a mag egyéb lehetséges alkotóelemeivel végzett kísérleteit. Most, hogy megmutatták, hogy a nyomás befolyásolhatja a frakcionálódást, a csoport azt is tervezi, hogy együttesen vizsgálja a nyomás és a hőmérséklet hatásait, amelyek előrejelzéseik szerint más eredményeket eredményeznek, mint bármelyik önmagában. Kísérleteinket szilárd vasmintákkal végeztük szobahőmérsékleten. De a magképződés során minden megolvadt ”- mondta Shahar.
Az ilyen kísérletek eredményei relevánsak lehetnek az exoplanetek vagy a saját Naprendszerünkön túli bolygók szempontjából - mondják a tudósok. "Mivel az exoplanetek esetében csak a felületeket vagy a légkört láthatják" - mondta Shahar. De hogyan befolyásolja belső tereik a felszínen zajló eseményeket - kérdezte. "A kérdésekre adott válasz befolyásolja, hogy van-e élet egy bolygón."
Tudjon meg többet erről a kutatásról és másokról a Deep Carbon Observatory-ban.
A szerkesztő megjegyzése, 2016. május 5.: Ez a történet eredetileg a Washington DC-ben található kísérletek helyszínére került. A kísérleteket Illinoisban egy laboratóriumban végezték.
