رویدادهای برجسته متعددی نقش اصلی را در داستان زمین ایفا کرده‌اند. یکی از آن‌ها، برخورد فاجعه‌بار با یک سیارک دیگر در اوایل تاریخ زمین است که نه تنها ماه را ایجاد کرد، بلکه شیمی زمین را برای همیشه تغییر داد.
شواهد ایزوتوپی بخش زیادی از داستان زمین را روایت می‌کند، و دانشمندان زمین را برای یافتن قدیمی‌ترین سنگ‌های موجود کاوش می‌کنند تا ایزوتوپ‌های آن‌ها را مطالعه کنند. برخی از قدیمی‌ترین سنگ‌های سیاره در گرینلند، کانادا و آفریقای جنوبی قرار دارند، و این سنگ‌ها نقش مرکزی در تحقیقات جدید درباره پروتو-زمین، یعنی زمینی که پیش از برخورد ایجادکننده ماه وجود داشت، ایفا می‌کنند. نسبت‌های ایزوتوپی در این سنگ‌ها داستان زمین را روشن می‌سازد.
تحقیقات جدید در مجله Nature Geoscience، پتاسیم-۴۰ (⁴⁰K) را در نمونه‌هایی از سنگ‌های باستانی و مدرن بررسی کرده و آن‌ها را با نمونه‌های زمینی معمولی و شهاب‌سنگ‌ها مقایسه کرده تا بفهمد پروتو-زمین پیش از برخورد غول‌پیکر چگونه بوده است. عنوان آن “شواهد ایزوتوپی پتاسیم-۴۰ برای وجود یک جزء پیش از برخورد غول‌پیکر در گوشته زمین” است. نویسنده اصلی نیکول نی، استادیار علوم زمین و سیاره‌ای در MIT است.
“ترکیب کلی زمین دارای ویژگی‌های عنصری و ایزوتوپی است که نمی‌توان آن را کاملاً با مخلوطی از ترکیبات شهاب‌سنگ‌های اولیه شناخته‌شده تطبیق داد”، نویسندگان در تحقیق خود می‌نویسند، و به این اشاره می‌کنند که زمین از مواد مشابه شهاب‌سنگ‌ها تشکیل شده است. “یک توضیح احتمالی برای این مسئله این است که پروتو-زمین مواد با نشانه‌های ایزوتوپی متمایز از موادی که پس از برخورد غول‌پیکر ایجادکننده ماه اضافه شدند، جذب کرده است.”
زمین زمانی اقیانوسی از ماگما بود، توپی از گدازه مذاب که بیش از حد داغ بود تا سرد شود و جامد گردد. این در دوران هادئن بود، و در نقطه‌ای از دوران هادئن، یک protoplanet عظیم به اندازه مریخ به زمین برخورد کرد. این protoplanet تیا نامیده می‌شود، و این برخورد ماه را به وجود آورد. این برخورد همچنین مقدار زیادی مواد به زمین آورد، و شیمی آن کمی متفاوت از زمین بود.
کار محققان در سال ۲۰۲۳ آغاز شد، زمانی که شهاب‌سنگ‌هایی از مکان‌های مختلف جهان را تحلیل کردند. این سنگ‌ها زمان‌ها و مکان‌های تشکیل در منظومه شمسی جوان را نشان می‌دهند، و به نوعی تغییرات مداوم در منظومه شمسی را مستند می‌کنند. وقتی آن‌ها را با سنگ‌های زمین مقایسه کردند، نسبت ایزوتوپ پتاسیم متفاوتی یافتند. سه ایزوتوپ طبیعی پتاسیم وجود دارد: ۳۹K، ۴۰K و ۴۱K. هر ایزوتوپ تعداد متفاوتی نوترون در هسته خود دارد.
پتاسیم روی زمین عمدتاً توسط پتاسیم-۳۹ (۹۳.۲۶%) و پتاسیم-۴۱ (۶.۷۳%) غالب است، با تنها ردهای کوچکی از پتاسیم-۴۰ (۰.۰۱۱۷%). وقتی با شهاب‌سنگ‌ها مقایسه شد، نسبت ایزوتوپ‌های پتاسیم آن‌ها متفاوت از بیشتر زمین بود. ناهماهنگی بین پتاسیم زمین و پتاسیم شهاب‌سنگ‌ها نشان می‌دهد که هر نمونه‌ای با نسبت مشابه احتمالاً پیش از ترکیب فعلی زمین وجود داشته است. بنابراین، عدم تعادل پتاسیم در هر نمونه زمینی قویاً پیشنهاد می‌کند که نمونه از پروتو-زمین پیش از برخورد ایجادکننده ماه آمده است.
نویسنده اصلی نی در یک بیانیه مطبوعاتی توضیح داد:
“در آن کار، ما یافتیم که شهاب‌سنگ‌های مختلف نشانه‌های ایزوتوپی پتاسیم متفاوتی دارند، و این به معنای آن است که پتاسیم می‌تواند به عنوان ردیاب بلوک‌های ساختمانی زمین استفاده شود”
تحقیقات فعلی آن‌ها بر اساس تحقیقات شهاب‌سنگ سال ۲۰۲۳ درباره ایزوتوپ‌های پتاسیم ساخته شده است. نی و همکارانش به دنبال نسبت‌های ایزوتوپ متفاوت در نمونه‌های زمین بودند. آن‌ها برخی از قدیمی‌ترین سنگ‌های زمین از گرینلند و کانادا، و نمونه‌های گدازه از آتشفشان‌های هاوایی را بررسی کردند، جایی که سنگ از عمق گوشته زمین به سطح آورده می‌شود. امید این بود که این نمونه‌های باستانی نشانه ایزوتوپ پتاسیم متفاوتی داشته باشند.
“اگر این نشانه پتاسیم حفظ شده باشد، ما می‌خواهیم آن را در زمان عمیق و زمین عمیق جستجو کنیم”، نی می‌گوید.
تحلیل آزمایشگاهی آن‌ها از سه نمونه نشان داد که آن‌ها ناهنجاری ایزوتوپ متفاوتی از دیگر نمونه‌های زمین دارند. همه چیز درباره پتاسیم-۴۰ است، نادرترین ایزوتوپ پتاسیم روی زمین که تنها در مقادیر رد وجود دارد. نمونه‌های باستانی از گرینلند، کانادا و گدازه هاوایی حتی کمتر پتاسیم-۴۰ داشتند. آن‌ها کمبود ۶۵ قسمت در میلیون را نشان دادند. این به معنای آن است که این مواد باستانی تاریخچه متفاوتی از بقیه زمین دارند. سؤال بعدی که محققان پرسیدند این است، آیا این نمونه‌های باستانی بقایای پروتو-زمین هستند؟
غلظت‌های متفاوت پتاسیم-۴۰ پیشنهاد می‌کند که نمونه‌های باستانی و عمیق از پروتو-زمین هستند. محققان استدلال کردند که بقیه سنگ‌های زمین در طول بیش از ۴ میلیارد سال وجود سیاره از برخورد غول‌پیکر، تحت تأثیر تعداد عظیمی از برخوردها قرار گرفته‌اند. اثر تجمعی همه آن برخوردها تغییر شیمی سنگ بود، و ایجاد نمونه‌هایی با غلظت بیشتر پتاسیم-۴۰.
برای تست آن استدلال، تیم داده‌های ترکیبی همه شهاب‌سنگ‌های شناخته‌شده را جمع‌آوری کرد و سپس شبیه‌سازی کرد که چگونه غلظت‌های پتاسیم-۴۰ آن‌ها به دلیل برخورد تغییر کرد. آن‌ها همچنین همه تغییرات زمین‌شناختی که زمین طی کرده، از جمله چگونگی گرم شدن و چرخش گوشته را شبیه‌سازی کردند. شبیه‌سازی‌ها نتیجه‌گیری آن‌ها را پشتیبانی کرد، و نشان داد که سنگ با غلظت‌های بالاتر پتاسیم-۴۰ به پایان رسید. نه تنها این، بلکه ترکیب کلی نمونه‌های شبیه‌سازی‌شده با ترکیب بیشتر نمونه‌های مدرن زمین مطابقت داشت.
همه با هم، نشان می‌دهد که نمونه‌های سنگ باستانی احتمالاً بقایای پروتو-زمین هستند که به نوعی میلیاردها سال دوام آورده‌اند. به طور گسترده، هر ماده‌ای که همان کمبود پتاسیم-۴۰ را نشان دهد، احتمالاً بقایای پروتو-زمین است.
“این شاید اولین شواهد مستقیم باشد که مواد پروتو-زمین را حفظ کرده‌ایم”، نی می‌گوید. “ما قطعه‌ای از زمین بسیار باستانی، حتی پیش از برخورد غول‌پیکر می‌بینیم. این شگفت‌انگیز است زیرا انتظار داریم این نشانه بسیار اولیه به آرامی از طریق تکامل زمین پاک شود.”
اما نشانه نمونه‌ها همچنین دقیقاً هیچ شهاب‌سنگ شناخته‌شده‌ای را بازتاب نمی‌دهد. در حالی که شهاب‌سنگ‌ها در کار قبلی محققان ناهنجاری‌های پتاسیم دارند، ناهنجاری دقیقاً همان نمونه‌های پروتو-زمین نیست. این به معنای آن است که مواد اولیه و شهاب‌سنگ‌هایی که زمین را تشکیل دادند، هنوز کشف نشده‌اند.
“دانشمندان سعی کرده‌اند ترکیب شیمیایی اولیه زمین را با ترکیب ترکیبات گروه‌های مختلف شهاب‌سنگ‌ها درک کنند”، نی می‌گوید. “اما مطالعه ما نشان می‌دهد که فهرست شهاب‌سنگ‌های فعلی کامل نیست، و چیزهای زیادی برای یادگیری درباره اینکه سیاره ما از کجا آمده، وجود دارد.”
