science >> Wetenschap >  >> Natuur

Hoe de vorm van planeten elementen regelt die essentieel zijn voor het leven

Stikstofhoudende, Aardachtige planeten kunnen worden gevormd als hun grondstof snel groeit tot rond de maan- en Mars-achtige planetaire embryo's voordat ze worden gescheiden in de kern-mantel-korst-atmosfeer, volgens wetenschappers van Rice University. Als metaal-silicaatdifferentiatie sneller is dan de groei van planetaire embryo-achtige lichamen, dan kunnen vaste reservoirs niet veel stikstof vasthouden en worden planeten die uit dergelijke grondstoffen groeien extreem stikstofarm. Krediet:Amrita P. Vyas/Rice University

De vooruitzichten voor leven op een bepaalde planeet hangen niet alleen af ​​van waar het zich vormt, maar ook van hoe, volgens wetenschappers van Rice University.

Planeten zoals de aarde die in de Goudlokje-zone van een zonnestelsel draaien, met omstandigheden die vloeibaar water en een rijke atmosfeer ondersteunen, hebben meer kans om leven te herbergen. Zoals het blijkt, hoe die planeet bij elkaar kwam, bepaalt ook of hij bepaalde vluchtige elementen en verbindingen heeft opgevangen en vastgehouden, inclusief stikstof, koolstof en water, die het leven doen ontstaan.

In een studie gepubliceerd in Natuur Geowetenschappen , Rijst afgestudeerde student en hoofdauteur Damanveer Grewal en professor Rajdeep Dasgupta laten de concurrentie zien tussen de tijd die nodig is voor materiaal om in een protoplaneet aan te groeien en de tijd die de protoplaneet nodig heeft om te scheiden in zijn verschillende lagen - een metalen kern, een schil van silicaatmantel en een atmosferisch omhulsel in een proces dat planetaire differentiatie wordt genoemd, is van cruciaal belang om te bepalen welke vluchtige elementen de rotsachtige planeet vasthoudt.

Stikstof gebruiken als proxy voor vluchtige stoffen, de onderzoekers toonden aan dat de meeste stikstof ontsnapt in de atmosfeer van protoplaneten tijdens differentiatie. Deze stikstof gaat vervolgens verloren in de ruimte wanneer de protoplaneet afkoelt of in de volgende groeifase botst met andere protoplaneten of kosmische lichamen.

Dit proces put stikstof uit in de atmosfeer en de mantel van rotsachtige planeten, maar als de metalen kern voldoende vasthoudt, het zou nog steeds een belangrijke stikstofbron kunnen zijn tijdens de vorming van aardachtige planeten.

Geochemici van Rice University analyseerden experimentele monsters van naast elkaar bestaande metalen en silicaten om te leren hoe ze chemisch zouden interageren wanneer ze onder druk en temperaturen worden geplaatst die vergelijkbaar zijn met die van differentiërende protoplaneten. Stikstof als proxy gebruiken, ze theoretiseren dat hoe een planeet samenkomt implicaties heeft voor de vraag of het vluchtige elementen die essentieel zijn voor het leven vasthoudt en vasthoudt. Krediet:Tommy LaVergne/Rice University

Dasgupta's hogedruklaboratorium in Rice legde protoplanetaire differentiatie vast in actie om de affiniteit van stikstof voor metalen kernen aan te tonen.

"We simuleerden omstandigheden onder hoge druk en temperatuur door een mengsel van stikstofhoudend metaal en silicaatpoeders te onderwerpen aan bijna 30, 000 keer de atmosferische druk en ze verhitten tot voorbij hun smeltpunt, " zei Grewal. "Kleine metalen klodders ingebed in de silicaatglazen van de teruggewonnen monsters waren de respectievelijke analogen van protoplanetaire kernen en mantels."

Met behulp van deze experimentele gegevens, de onderzoekers hebben de thermodynamische relaties gemodelleerd om te laten zien hoe stikstof zich tussen de atmosfeer verdeelt, gesmolten silicaat en kern.

"We realiseerden ons dat fractionering van stikstof tussen al deze reservoirs erg gevoelig is voor de grootte van het lichaam, "Zei Grewal. "Met dit idee, we konden berekenen hoe stikstof zich in de loop van de tijd zou hebben gescheiden tussen verschillende reservoirs van protoplanetaire lichamen om uiteindelijk een bewoonbare planeet als de aarde te bouwen."

Hun theorie suggereert dat grondstoffen voor de aarde snel groeiden tot rond de maan- en Mars-sized planetaire embryo's voordat ze het proces van differentiatie in de bekende metaal-silicaat-gasdamp-opstelling voltooiden.

Rice University afgestudeerde student Damanveer Grewal, links, en geochemicus Rajdeep Dasgupta bespreken hun experimenten in het laboratorium, waar ze complexe mengsels van elementen comprimeren om omstandigheden diep in protoplaneten en planeten te simuleren. In een nieuwe studie, ze hebben vastgesteld dat hoe een planeet samenkomt, gevolgen heeft voor de vraag of het de vluchtige elementen vangt en vasthoudt, inclusief stikstof, koolstof en water, essentieel voor het leven. Krediet:Tommy LaVergne/Rice University

In het algemeen, ze schatten de embryo's gevormd binnen 1-2 miljoen jaar na het begin van het zonnestelsel, veel eerder dan de tijd die ze nodig hadden om volledig te differentiëren. Als de differentiatiesnelheid hoger was dan de accretiesnelheid voor deze embryo's, de rotsachtige planeten die daaruit ontstonden, konden niet genoeg stikstof hebben opgehoopt, en waarschijnlijk andere vluchtige stoffen, essentieel voor het ontwikkelen van omstandigheden die het leven ondersteunen.

"Onze berekeningen laten zien dat het vormen van een planeet ter grootte van de aarde via planetaire embryo's die extreem snel groeiden voordat ze metaalsilicaatdifferentiatie ondergingen, een uniek pad vormt om aan het stikstofbudget van de aarde te voldoen, " zei Dasgupta, de hoofdonderzoeker van CLEVER Planets, een door NASA gefinancierd samenwerkingsproject dat onderzoekt hoe levensessentiële elementen samen kunnen komen op rotsachtige planeten in ons zonnestelsel of op verre, rotsachtige exoplaneten.

"Dit werk laat zien dat er een veel grotere affiniteit is van stikstof voor kernvormende metaalvloeistof dan eerder werd gedacht, " hij zei.

De studie volgt eerdere werken, een die laat zien hoe de impact van een maanvormend lichaam de aarde veel van zijn vluchtige inhoud had kunnen geven, en een ander suggereert dat de planeet meer van zijn stikstof uit lokale bronnen in het zonnestelsel heeft gewonnen dan ooit werd gedacht.

In de laatste studie, Grewal zei, "We toonden aan dat protoplaneten die zowel in de binnenste als in de buitenste regionen van het zonnestelsel groeien, stikstof aangroeiden, en de aarde haalde zijn stikstof uit door protoplaneten uit beide regio's te verzamelen. Echter, het was niet bekend hoe het stikstofbudget van de aarde tot stand kwam."

"We doen een grote claim die verder gaat dan alleen het onderwerp van de oorsprong van vluchtige elementen en stikstof, en zal een dwarsdoorsnede van de wetenschappelijke gemeenschap beïnvloeden die geïnteresseerd is in de vorming en groei van planeten, ' zei Dasgupta.