Microscopisch kleine mineralen opgegraven uit een oude rots van Jack Hills, in West-Australië, onderwerp van intensief geologisch onderzoek zijn geweest, omdat ze sporen lijken te dragen van het magnetisch veld van de aarde dat teruggaat tot 4,2 miljard jaar geleden. Dat is bijna 1 miljard jaar eerder dan toen men dacht dat het magnetische veld ontstond, en bijna terug naar de tijd dat de planeet zelf werd gevormd.

Maar hoe intrigerend dit oorsprongsverhaal ook mag zijn, een door MIT geleid team heeft nu bewijs van het tegendeel gevonden. In een paper gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang , het team onderzocht hetzelfde type kristallen, zirkonen genoemd, opgegraven uit dezelfde rots, en hebben geconcludeerd dat zirkonen die ze verzamelden onbetrouwbaar zijn als opnemers van oude magnetische velden.

Met andere woorden, de jury is er nog steeds niet uit of het magnetische veld van de aarde eerder dan 3,5 miljard jaar geleden bestond.

"Er is geen robuust bewijs van een magnetisch veld vóór 3,5 miljard jaar geleden, en al was er een veld, het zal heel moeilijk zijn om er bewijs voor te vinden in Jack Hills zirkonen, " zegt Caue Borlina, een afgestudeerde student aan het MIT's Department of Earth, Sfeervol, en Planetaire Wetenschappen (EAPS). "Het is een belangrijk resultaat in die zin dat we weten waar we niet meer naar moeten zoeken."

Borlina is de eerste auteur van de krant, waaronder ook EAPS-professor Benjamin Weiss, Hoofdonderzoeker Eduardo Lima, en onderzoekswetenschapper Jahandar Ramezan van MIT, samen met anderen van de universiteit van Cambridge, Harvard universiteit, de Universiteit van Californië in Los Angeles, de Universiteit van Alabama, en Princeton-universiteit.

een veld, opgewonden

Men denkt dat het magnetische veld van de aarde een belangrijke rol speelt bij het bewoonbaar maken van de planeet. Een magnetisch veld bepaalt niet alleen de richting van onze kompasnaalden, het fungeert ook als een soort schild, het afbuigen van zonnewind die anders de atmosfeer zou kunnen wegvreten.

Wetenschappers weten dat het magnetisch veld van de aarde tegenwoordig wordt aangedreven door de stolling van de vloeibare ijzerkern van de planeet. De afkoeling en kristallisatie van de kern wakkert het omringende vloeibare ijzer aan, het creëren van krachtige elektrische stromen die een magnetisch veld genereren dat zich tot ver in de ruimte uitstrekt. Dit magnetische veld staat bekend als de geodynamo.

Meerdere bewijslijnen hebben aangetoond dat het magnetisch veld van de aarde minstens 3,5 miljard jaar geleden bestond. Echter, men denkt dat de kern van de planeet slechts 1 miljard jaar geleden begon te stollen, wat betekent dat het magnetische veld vóór 1 miljard jaar geleden door een ander mechanisme moet zijn aangedreven. Door precies vast te stellen wanneer het magnetische veld zich heeft gevormd, kunnen wetenschappers erachter komen wat het heeft gegenereerd om mee te beginnen.

Borlina zegt dat de oorsprong van het magnetische veld van de aarde ook de vroege omstandigheden zou kunnen verlichten waarin de eerste levensvormen van de aarde hun intrede deden.

"In de eerste miljard jaar van de aarde, tussen 4,4 miljard en 3,5 miljard jaar, toen ontstond het leven, ' zegt Borlina. 'Of je op dat moment een magnetisch veld hebt, heeft verschillende implicaties voor de omgeving waarin het leven op aarde is ontstaan. Dat is de drijfveer van ons werk."

"Kan zirkoon niet vertrouwen"

Wetenschappers hebben van oudsher mineralen in oude gesteenten gebruikt om de oriëntatie en intensiteit van het aardmagnetisch veld terug in de tijd te bepalen. Terwijl rotsen zich vormen en afkoelen, de elektronen binnen individuele korrels kunnen verschuiven in de richting van het omringende magnetische veld. Zodra het gesteente afkoelt tot voorbij een bepaalde temperatuur, bekend als de Curie-temperatuur, de oriëntaties van de elektronen zijn in steen gebeiteld, bij wijze van spreken. Wetenschappers kunnen hun leeftijd bepalen en standaard magnetometers gebruiken om hun oriëntatie te meten, om de sterkte en oriëntatie van het aardmagnetisch veld op een bepaald tijdstip te schatten.

Sinds 2001, Weiss en zijn groep hebben de magnetisatie van de Jack Hills-rotsen en zirkoonkorrels bestudeerd, met het uitdagende doel om vast te stellen of ze oude records van het magnetisch veld van de aarde bevatten.

"De zirkonen van Jack Hills zijn enkele van de zwakste magnetische objecten die zijn bestudeerd in de geschiedenis van het paleomagnetisme, " zegt Weiss. "Bovendien, deze zirkonen bevatten de oudst bekende aardse materialen, wat betekent dat er veel geologische gebeurtenissen zijn die hun magnetische records zouden kunnen resetten."

anno 2015, een aparte onderzoeksgroep die ook was begonnen met het bestuderen van de zirkonen van Jack Hills, voerde aan dat ze bewijs hadden gevonden van magnetisch materiaal in zirkonen waarvan de datering 4,2 miljard jaar oud was - het eerste bewijs dat het magnetische veld van de aarde mogelijk al 3,5 miljard jaar geleden bestond.

Maar Borlina merkt op dat het team niet heeft bevestigd of het magnetische materiaal dat ze ontdekten zich daadwerkelijk heeft gevormd tijdens of nadat het zirkoonkristal 4,2 miljard jaar geleden werd gevormd - een doel dat hij en zijn team voor hun nieuwe papier op zich namen.

Borlina, Weiss, en hun collega's hadden stenen verzameld van dezelfde rots van Jack Hills, en van die monsters, geëxtraheerd 3, 754 zirkoonkorrels, elk ongeveer 150 micrometer lang - ongeveer de breedte van een mensenhaar. Met behulp van standaard dateringstechnieken, ze bepaalden de leeftijd van elke zirkoonkorrel, die varieerde van 1 miljard tot 4,2 miljard jaar oud.

Ongeveer 250 kristallen waren ouder dan 3,5 miljard jaar. Het team isoleerde en beeldde die monsters af, op zoek naar tekenen van scheuren of secundaire materialen, zoals mineralen die op of in het kristal zijn afgezet nadat het volledig was gevormd, en zochten naar bewijs dat ze de laatste paar miljard jaar sinds ze gevormd zijn aanzienlijk verwarmd zijn. Van deze 250 ze identificeerden slechts drie zirkonen die relatief vrij waren van dergelijke onzuiverheden en daarom geschikte magnetische records konden bevatten.

Het team voerde vervolgens gedetailleerde experimenten uit op deze drie zirkonen om te bepalen welke soorten magnetische materialen ze zouden kunnen bevatten. Ze stelden uiteindelijk vast dat een magnetisch mineraal genaamd magnetiet aanwezig was in twee van de drie zirkonen. Met behulp van een hoge resolutie kwantum diamant magnetometer, het team keek naar dwarsdoorsneden van elk van de twee zirkonen om de locatie van het magnetiet in elk kristal in kaart te brengen.

Ze ontdekten magnetiet dat langs scheuren of beschadigde zones in de zirkonen lag. zulke scheuren, Borlina zegt, zijn paden die water en andere elementen in de rots toelaten. Dergelijke scheuren kunnen secundair magnetiet hebben binnengelaten dat zich veel later in het kristal vestigde dan toen het zirkoon oorspronkelijk werd gevormd. Hoe dan ook, Borlina zegt dat het bewijs duidelijk is:deze zirkonen kunnen niet worden gebruikt als een betrouwbare recorder voor het magnetische veld van de aarde.

"Dit is het bewijs dat we deze zirkoonmetingen niet kunnen vertrouwen voor de registratie van het aardmagnetisch veld, " zegt Borlina. "Dat hebben we laten zien, vóór 3,5 miljard jaar geleden, we hebben nog steeds geen idee wanneer het magnetische veld van de aarde begon."

Ondanks deze nieuwe resultaten, Weiss benadrukt dat eerdere magnetische analyses van deze zirkonen nog steeds zeer waardevol zijn.

"Het team dat de originele zirkoonmagnetische studie rapporteerde, verdient veel lof voor het proberen dit enorm uitdagende probleem aan te pakken, " zegt Weiss. "Als resultaat van al het werk van beide groepen, we begrijpen nu veel beter hoe we het magnetisme van oude geologische materialen kunnen bestuderen. We kunnen deze kennis nu gaan toepassen op andere minerale korrels en op korrels van andere planetaire lichamen."