Det bankende hjerte på vores planet har været et mysterium for forskere, der søger, hvordan Jorden dannede sig, og hvad der gik ind i dens skabelse. Men en nylig undersøgelse var i stand til at genskabe det intense pres, der nærmer sig dem, der findes i Jordens centrum, hvilket gav forskere et indblik i vores planets tidlige dage, og endda hvordan kernen kan se ud nu.
De annoncerede deres fund i en nylig udgave af tidsskriftet Science . ”Hvis vi finder ud af, hvilke elementer der er i kernen, kan vi bedre forstå betingelserne under hvilke Jorden dannede sig, som derefter vil informere os om historien om det tidlige solsystem, ” sagde hovedundersøgelsesforfatter Anat Shahar, en geokemiker ved Carnegie Institution for Science i Washington, DC. Det kunne også give forskere et glimt af, hvordan andre stenede planeter, både i vores eget solsystem og ud over, kom til at være.
Jorden dannede for ca. 4, 6 milliarder år siden gennem utallige kollisioner mellem klippekropper i størrelse fra Mars-objekter ned til asteroider. Efterhånden som den tidlige jord voksede, steg dets indre tryk og temperatur også.
Dette havde konsekvenser for, hvordan jern - som udgør det meste af Jordens kerne - interagerede kemisk med lettere elementer som brint, ilt og kulstof, da det tungere metal blev adskilt fra mantlen og sank ned i planetens indre. Mantelen er laget lige under jordskorpen, og bevægelsen af smeltet sten gennem dette område driver pladetektonik.
Forskere har længe erkendt, at skiftende temperaturer kan påvirke den grad, i hvilken en version, eller isotop, af et element som jern bliver en del af kernen. Denne proces kaldes isotopfraktionering.
Før nu blev presset imidlertid ikke betragtet som en kritisk variabel, der påvirkede denne proces. "I 60'erne og 70'erne blev der udført eksperimenter på udkig efter disse trykeffekter, og ingen blev fundet, " siger Shahar, der er en del af programmet Deep Carbon Observatory. ”Nu ved vi, at det pres, de testede på - omkring to gigapascals [GPa] - ikke var højt nok.”
Et papir fra 2009 fra et andet hold antydede, at pres kunne have påvirket de elementer, der gjorde det til vores planeters kerne. Så Shahar og hendes team besluttede at genundersøge dens virkninger, men ved hjælp af udstyr, der kunne opnå et tryk på op til 40 GPa - meget tættere på de 60 GPa, som forskere mener var gennemsnittet under Jordens tidlige kernedannelse.
I eksperimenter udført på US Department of Energy's Advanced Photon Source, en Office of Science-brugerfacilitet ved Argonne National Laboratory i Illinois, placerede teamet små prøver af jern blandet med brint, kulstof eller ilt mellem punkterne på to diamanter. Siderne af denne "diamant-amboltcelle" blev derefter klemt sammen for at generere enormt pres.
Bagefter blev de transformerede jernprøver bombarderet med højdrevne røntgenstråler. ”Vi bruger røntgenstrålene til at undersøge vibrationsegenskaberne i jernfaserne, ” sagde Shahar. De forskellige vibrationsfrekvenser fortalte hende, hvilke versioner af jern hun havde i sine prøver.
Hvad holdet fandt er, at ekstremt pres påvirker isotopfraktioneringen. Teamet opdagede især, at reaktioner mellem jern og brint eller kulstof - to elementer, der anses for at være til stede i kernen - burde have efterladt en signatur i mantelbergarter. Men denne signatur er aldrig fundet.
”Derfor tror vi ikke, at brint og kulstof er de vigtigste lyselementer i kernen, ” sagde Shahar.
I modsætning hertil ville kombinationen af jern og ilt ikke efterlade spor i mantlen ifølge gruppens eksperimenter. Så det er stadig muligt, at ilt kan være et af de lettere elementer i Jordens kerne.
Resultaterne understøtter hypotesen om, at ilt og silicium udgør hovedparten af de lyselementer, der er opløst i jordens kerne, siger Joseph O'Rourke, en geofysiker ved Caltech i Pasadena, Californien, som ikke var involveret i undersøgelsen.
”Oxygen og silicium er enormt rigelige i mantlen, og vi ved, at de er opløselige i jern ved høj temperatur og tryk, ” siger O'Rourke. ”Da ilt og silicium stort set garanteres at komme ind i kernen, er der ikke meget plads til andre kandidater som brint og kulstof.”
Shahar sagde, at hendes team planlægger at gentage deres eksperiment med silicium og svovl, andre mulige bestanddele af kernen. Nu når de har vist, at tryk kan påvirke fraktionering, planlægger gruppen også at se på virkningerne af tryk og temperatur sammen, som de forudsiger at vil give forskellige resultater end en af dem alene. ”Vores eksperimenter blev alle udført med faste jernprøver ved stuetemperatur. Men under kernedannelse blev alt smeltet, ”sagde Shahar.
Resultaterne fra sådanne eksperimenter kunne have relevans for eksoplaneter eller planeter ud over vores eget solsystem, siger forskere. ”Fordi man ved exoplaneter kun kan se deres overflader eller atmosfære, ” sagde Shahar. Men hvordan påvirker deres interiør, hvad der sker på overfladen, spurgte hun. "Svaret på disse spørgsmål vil påvirke, hvorvidt der er liv på en planet eller ej."
Lær mere om denne forskning og mere på Deep Carbon Observatory.
Redaktørens note 5. maj 2016: Denne historie placerede oprindeligt stedet for eksperimenterne i Washington, DC De blev udført på et laboratorium i Illinois.
