De aarde is relatief snel gevormd uit de wolk van stof en gas rond de zon, water en gassen opsluiten in de mantel van de planeet, volgens onderzoek gepubliceerd op 5 december in het tijdschrift Natuur . Afgezien van het vestigen van de oorsprong van de aarde, het werk zou kunnen helpen bij het identificeren van extrasolaire systemen die bewoonbare planeten zouden kunnen ondersteunen.

Puttend uit gegevens van de diepten van de aarde tot de verre ruimte, Professor Sujoy Mukhopadhyay van de University of California Davis en postdoctoraal onderzoeker Curtis Williams gebruikten neonisotopen om te laten zien hoe de planeet is ontstaan.

"We proberen te begrijpen waar en hoe de neon in de aardmantel is verkregen, die ons vertelt hoe snel de planeet is gevormd en in welke omstandigheden, ' zei Willems.

Neon is eigenlijk een stand-in voor waar gassen zoals water, koolstofdioxide en stikstof kwamen uit, zei Williams. In tegenstelling tot deze verbindingen die essentieel zijn voor het leven, neon is een inert edelgas, en het wordt niet beïnvloed door chemische en biologische processen.

"Dus bewaart neon een herinnering aan waar het vandaan kwam, zelfs na vierenhalf miljard jaar, ' zei Mukhopadhyay.

Er zijn drie concurrerende ideeën over hoe de aarde meer dan vier miljard jaar geleden werd gevormd uit een protoplanetaire schijf van stof en gas en hoe water en andere gassen aan de groeiende aarde werden geleverd. In de eerste, de planeet groeide relatief snel gedurende twee tot vijf miljoen jaar en ving gas op uit de nevel, de wervelende wolk van stof en gas rond de jonge zon. De tweede theorie suggereert dat stofdeeltjes gevormd zijn en enige tijd door de zon werden bestraald voordat ze condenseerden tot miniatuurobjecten, planetesimalen genaamd, die vervolgens aan de groeiende planeet werden afgeleverd. Bij de derde optie de aarde vormde relatief langzaam en gassen werden geleverd door koolstofhoudende chondrietmeteorieten die rijk zijn aan water, koolstof en stikstof.

Deze verschillende modellen hebben gevolgen voor hoe de vroege aarde eruit zag, zei Mukhopadhyay. Als de aarde zich snel uit de zonnenevel zou vormen, het zou veel waterstofgas op of nabij het oppervlak hebben gehad. Maar als de aarde gevormd is uit koolstofhoudende chondrieten, zijn waterstof zou in de meer geoxideerde vorm zijn gekomen, water.

Neon van oceaanbodem tot diepe ruimte

Om erachter te komen welke van de drie concurrerende ideeën over planeetvorming en afgifte van gassen correct waren, Williams en Mukhopadhyay hebben nauwkeurig de verhoudingen gemeten van neonisotopen die vastzaten in de aardmantel toen de planeet werd gevormd. Neon heeft drie isotopen, neon-20, 21 en 22. Alle drie stabiel en niet-radioactief, maar neon-21 wordt gevormd door radioactief verval van uranium. Dus de hoeveelheden neon-20 en 22 in de aarde zijn stabiel sinds de planeet gevormd is en zullen dat voor altijd blijven, maar neon-21 accumuleert langzaam in de loop van de tijd. Er wordt voorspeld dat de drie scenario's voor de vorming van de aarde verschillende verhoudingen van neon-20 tot neon-22 hebben.

Het dichtst dat ze bij de mantel konden komen, was door naar rotsen te kijken die kussenbasalt werden genoemd op de oceaanbodem. Deze glazige rotsen zijn de overblijfselen van stromen van diep in de aarde die uitkwamen en afkoelden in de oceaan, later verzameld door een boorexpeditie onder leiding van de Universiteit van Rhode Island, die zijn collectie beschikbaar stelt aan andere wetenschappers.

De gassen worden gevonden in kleine belletjes in het basalt. Met behulp van een pers, Williams kraakte basaltschilfers in een afgesloten kamer, waardoor de gassen in een gevoelige massaspectrometer kunnen stromen.

Nu voor het ruimtegedeelte. Eerdere onderzoekers hebben de neon-isotoopverhouding vastgesteld voor het model "zonnenevel" (vroege snelle vorming) met gegevens van de Genesis-missie, die deeltjes van de zonnewind gevangen. Gegevens voor het "bestraalde deeltjes"-model kwamen uit analyses van maanbodems en meteorieten. Eindelijk, koolstofhoudende chondrietmeteorieten leverden gegevens voor het "late accretie" -model.

Minimale grootte voor een bewoonbare planeet

De isotopenverhoudingen die ze vonden, lagen ver boven die van de modellen voor "bestraalde deeltjes" of "late accretie", Williams zei, en ondersteuning van een snelle vroege vorming.

"Dit is een duidelijke aanwijzing dat er nevelneon in de diepe mantel zit, ' zei Willems.

Neon, onthouden, is een marker voor die andere vluchtige verbindingen. Waterstof, water, koolstofdioxide en stikstof zouden tegelijkertijd in de aarde zijn gecondenseerd - allemaal ingrediënten die, zo ver we weten, gaan in het maken van een bewoonbare planeet.

De resultaten impliceren dat om deze vitale verbindingen te absorberen, een planeet moet een bepaalde grootte bereiken - de grootte van Mars of iets groter - voordat de zonnenevel verdwijnt. Waarnemingen van andere zonnestelsels laten zien dat dit ongeveer twee tot drie miljoen jaar duurt, zei Williams.

Gebeurt hetzelfde proces rond andere sterren? Waarnemingen van de Atacama Large Millimeter Array, of ALMA, observatorium in Chili suggereert dat dit wel het geval is, aldus de onderzoekers.

ALMA gebruikt een reeks van 66 radiotelescopen die als één instrument werken om stof en gas in het heelal in beeld te brengen. Het kan de planeetvormende schijven van stof en gas rond enkele nabije sterren zien. In sommige gevallen, er zijn donkere banden in die schijven waar het stof is opgebruikt.

"Er zijn een aantal manieren waarop stof van de schijf kan worden verwijderd, en een daarvan is dat ze planeten vormen, ' zei Willems.

"We kunnen planeetvorming waarnemen in een gasschijf in andere zonnestelsels, en er is een soortgelijk verslag van ons eigen zonnestelsel bewaard in het binnenste van de aarde, "Zei Mukhopadhyay. "Dit zou een gebruikelijke manier kunnen zijn voor planeten om zich elders te vormen."