Maapallon sykkivä sydän on pysynyt salaisuutena tutkijoille, jotka etsivät, miten Maa muodostui ja mitä sen luomiseen meni. Mutta äskettäinen tutkimus pystyi luomaan uudelleen voimakkaat paineet, jotka lähestyivät maapallon keskustasta löytyviä paineita, antamalla tutkijoille välähdyksen planeettamme alkuaikoista ja jopa siitä, millainen ydin voi näyttää nyt.
He ilmoittivat havainnoistaan Science- lehden äskettäisessä numerossa. "Jos selvitetään, mitkä elementit ovat ytimessä, voimme ymmärtää paremmin olosuhteita, joissa maapallot muodostuivat, mikä antaa meille tietoa varhaisesta aurinkokunnan historiasta", sanoi tutkimuksen päätutkija Anat Shahar, geokemialainen Carnegie-instituutissa. Washington DC: ssä. Se voi myös antaa tutkijoille katsauksen siihen, kuinka muut kallioiset planeetat, sekä omassa aurinkokunnassamme että sen ulkopuolella, tulivat.
Maa muodosti noin 4, 6 miljardia vuotta sitten lukemattomien törmäysten takana kivisten kappaleiden välillä Marsin kokoisista esineistä asteroideihin. Varhaisen maan kasvaessa myös sen sisäinen paine ja lämpötila nousivat.
Tällä oli vaikutusta siihen, kuinka rauta - joka muodostaa suurimman osan maan ytimestä - oli kemiallisesti vuorovaikutuksessa kevyempien elementtien, kuten vedyn, hapen ja hiilen kanssa, kun raskaampi metalli erottui vaipasta ja upposi planeetan sisätiloihin. Vaippa on kerros aivan maankuoren alla, ja sulan kiven liikkuminen tämän alueen läpi ohjaa levytektoniaa.
Tutkijat ovat jo kauan tunnustaneet, että lämpötilojen muutokset voivat vaikuttaa siihen, missä määrin elementin, kuten raudan, versiosta tai isotoopista tulee osa ydintä. Tätä prosessia kutsutaan isotooppifraktiointiin.
Aiemmin painetta ei kuitenkaan pidetty kriittisenä muuttujana, joka vaikutti tähän prosessiin. "60- ja 70-luvuilla tehtiin kokeita, joissa etsittiin näitä painevaikutuksia, ja niitä ei löydy", sanoo Shahar, joka on osa Deep Carbon Observatory -ohjelmaa. "Nyt tiedämme, että heidän testaamansa paineet - noin kaksi gigapaskalia [GPa] - eivät olleet riittävän korkeita."
Toisen ryhmän vuoden 2009 julkaisu ehdotti, että paine olisi voinut vaikuttaa elementteihin, jotka tekivät siitä planeettamme ytimen. Joten Shahar ja hänen tiiminsä päättivät tutkia sen vaikutuksia uudelleen, mutta käyttämällä laitteita, joilla voidaan saavuttaa jopa 40 GPa: n paineet - paljon lähempänä 60 GPa: ta, joka tutkijoiden mielestä oli keskimääräinen Maan varhaisen ytimen muodostuksen aikana.
Kokeissa, jotka tehtiin Yhdysvaltain energiaministeriön Advanced Photon Source -yksikössä, Office of Science -käyttäjälaitoksessa Argonnen kansallisessa laboratoriossa Illinoisissa, ryhmä sijoitti pienet rautaiset näytteet sekoitettuna vedyn, hiilen tai hapen kanssa kahden vinoneliön pisteiden väliin. Tämän “timanttisellisolun” sivut puristettiin sitten yhteen muodostaen valtavia paineita.
Myöhemmin transformoituja raudanäytteitä pommitettiin suuritehoisilla röntgensäteillä. "Käytämme röntgensäteitä rautafaasien värähtelyominaisuuksien mittaamiseen", Shahar sanoi. Eri värähtelytaajuudet kertoivat hänelle, mitkä rautaversiot hänellä olivat näytteissään.
Ryhmä havaitsi, että äärimmäinen paine vaikuttaa isotooppien fraktioon. Erityisesti ryhmä havaitsi, että raudan ja vedyn tai hiilen - kahden elementin, joita pidetään läsnä ytimessä - välisten reaktioiden olisi pitänyt jättää allekirjoitus vaippakiviin. Mutta sitä allekirjoitusta ei ole koskaan löydetty.
"Siksi emme usko, että vety ja hiili ovat tärkeimmät valoelementit ytimessä", Shahar sanoi.
Ryhmän kokeiden mukaan sitä vastoin raudan ja hapen yhdistelmä ei olisi jättänyt jälkeä vaippaan. Joten on edelleen mahdollista, että happi voisi olla yksi kevyemmistä elementeistä maan ytimessä.
Tulokset tukevat hypoteesia, jonka mukaan happi ja pii muodostavat suurimman osan maan ytimeen liuenneista valoelementeistä, sanoo Kalifornian Pasadenan Caltechin geofysiologi Joseph O'Rourke, joka ei ollut mukana tutkimuksessa.
"Happia ja piitä on vaipan suhteen runsaasti, ja tiedämme, että ne liukenevat rauhaan korkeissa lämpötiloissa ja paineissa", O'Rourke sanoo. "Koska happea ja piitä on periaatteessa taattu pääsyyn ytimeen, muille ehdokkaille, kuten vedylle ja hiilelle, ei ole paljon tilaa."
Shahar kertoi, että hänen tiiminsä aikoo toistaa kokeilun piin ja rikin, muiden ytimen mahdollisten ainesosien, kanssa. Nyt kun he ovat osoittaneet, että paine voi vaikuttaa fraktiointiin, ryhmä aikoo myös tarkastella paineen ja lämpötilan vaikutuksia yhdessä, joiden ennustettaisiin tuottavan erilaisia tuloksia kuin kumpikin niistä yksinään. ”Kaikki kokeemme tehtiin kiinteillä raudanäytteillä huoneenlämpötilassa. Mutta ydinmuodostumisen aikana kaikki oli sulanut ”, Shahar sanoi.
Tällaisten kokeiden tuloksilla voi olla merkitystä eksoplaneettojen tai oman aurinkokunnan ulkopuolella olevien planeettojen kannalta, tutkijat sanovat. "Koska eksoplaneetoissa voit nähdä vain niiden pintojen tai ilmakehän", Shahar sanoi. Mutta kuinka heidän sisustuksensa vaikuttaa siihen, mitä tapahtuu pintaan, hän kysyi. "Vastaus näihin kysymyksiin vaikuttaa siihen, onko planeetalla elämää."
Lisätietoja tästä tutkimuksesta ja muusta Deep Carbon Observatoryssa.
Toimittajan huomautus, 5. toukokuuta 2016: Tämä tarina sijoitti alun perin kokeilut Washington DC: hen. Ne tehtiin Illinoisin laboratoriossa.
