«Ізотопний склад неона з мантії вказує на те, що молода Земля росла швидко»

Ріс. 1. Вгорі: знімок молекулярної хмари в сузір’ї Тельца (Taurus Molecular Cloud), зроблений телескопом «Хаббл». На врізці — зображення протопланетного диска навколо молодої зірки HL Тельца (її вік — всього близько 100 000 років), отримане в міліметровому діапазоні за допомогою телескопа ALMA. На етапі свого формування наша Сонячна система здалеку цілком могла виглядати приблизно так. У хорошій якості це зображення доступне на сайті eso.org. Внизу — порівняння розмірів протопланетного диска навколо зірки HL Тельця і Сонячної системи (справа, сама зовнішня лінія показує орбіту Нептуна): видно, що диск навколо HL Тельця простягається в 2-3 рази далі. Зображення з сайту almaobservatory.org

У загальних рисах вчені уявляють собі, як відбувалося формування Сонця і планет, в тому числі і Землі. Але поки в цих питаннях залишається ще дуже багато неясного. Зокрема, незрозуміло, як швидко відбувався цей процес і які речовини потрапляли в зростаючі планети відразу, а які привносилися пізніше метеоритами і кометами. Дослідження ізотопів неона із земної мантії (цей елемент, завдяки своїй інертній хімічній природі, зберігся в мантії Землі в первинному, не зачепленому подальшою еволюцією планети вигляді) вказує на те, що неон, який зараз знаходиться глибоко в мантії, потрапив туди з протопланетної хмари. Цей результат дозволяє уточнити моделі формування Сонячної системи: з нього випливає, що Земля повинна була рости досить швидко, вбираючи в себе разом з неоном і інші летючі компоненти протопланетної хмари — наприклад, воду і азот.

Згідно з домінуючою гіпотезою, утворення Землі, як і інших планет земної групи, почалося з аккреції (злипання і подальшого зростання) твердих частинок газопилової протопланетної хмари (протопланетного диска), що оберталася навколо нещодавно сформованого Сонця. Поступово деякі частинки пилу, злипаючись один з одним, доростали до «сніжків», які теж злипалися один з одним і продовжували обростати пилом. Так з’являлися планетезималі — невеликі тіла (розміром кілька кілометрів), які згодом служили «будівельними блоками» для формування повноцінних планет. Якщо з приводу загального ходу цього процесу у вчених в цілому немає розбіжностей, то щодо його деталей існують різні думки. Зокрема, розбіжності виникають у питаннях про швидкість, з якою відбувалося утворення Землі, про первинне джерело летючих компонентів у її складі (захоплювалися до складу планет земної групи гази протопланетної хмари) і про величину внеску до складу Землі метеоритного матеріалу.

Геохіміки Кертіс Вільямс (Curtis D. Williams) і Суджой Мукхопадх’яй (Sujoy Mukhopadhyay) з Каліфорнійського університету в Дейвісі припустили, що з цим може допомогти розібратися вивчення ізотопного складу неона з мантійних джерел. Вони вважають, що неон міг потрапити до складу Землі разом з іншими летючими компонентами на етапі формування нашої планети. При цьому через інертність у нього повинно було зберегтися первинне співвідношення ізотопів (на відміну від інших летючих компонентів, які багаторазово брали участь протягом еволюційної історії Землі в різних геологічних і біохімічних процесах). Тобто неон навіть через 4,5 мільярда років повинен зберегти «пам’ять» у вигляді ізотопної сигнатури про те, звідки він «прийшов» на Землю. З’ясувавши природу неона в складі земної мантії, можна буде з великою часткою ймовірності говорити і про первинне джерело інших летючих компонентів, таких як вода, вуглекислий газ, азот тощо.

Геохіміки вважають, що, якщо процес планетоутворення був відносно швидким і Земля сформувалася як планета за 2-5 млн років, вона повинна була захопити гази (включаючи неон), присутні у внутрішній частині протопланетної хмари на ранньому етапі його існування. Якщо ж планета формувалася довше, то більша частина неона (як і інших газів) найімовірніше була видута сонячним вітром із зони формування кам’яних планет. Однак неон міг синтезуватися в ядерних реакціях, що відбувалися при опроміненні пилу сонячним випромінюванням, і це також має бути зафіксовано в ізотопній сигнатурі неона. Своя ізотопна сигнатура характерна і для газів, доставлених на Землю в складі вуглистих хондритів, багатих водою, вуглецем і азотом.

Неон має три ізотопи: ²⁰Ne, ²¹Ne и ²²Ne. Всі три є стабільними і нерадіоактивними, але ²¹Ne також утворюється в результаті радіоактивного розпаду урану і може повільно накопичуватися з плином часу. Тому як індикатор походження первинного неона автори вибрали співвідношення ²⁰Ne/²²Ne. Це співвідношення суттєво розрізняється для трьох потенційних джерел летючих речовин Землі: газу протопланетної хмари (13,36 ­ 0,18), матеріалу, опроміненого сонячним вітром (12,52-12,75), і вуглистих хондритів (9,03 ­ 2,46). Реперні значення для всіх трьох джерел неона були отримані в попередніх дослідженнях на основі даних місії Genesis (космічного апарату для збору зразків сонячного вітру), аналізу проб місячних ґрунтів і метеоритів.

В якості джерел мантійного матеріалу для досліджень були обрані океанічні базальти зон плюмового вулканізму. Вважається, що магма, яка виноситься на поверхню мантійними плюмами, має, порівняно з базальтами срединно-океанічних хребтів (тип MORB — mid-ocean-ridge basalts), більш глибинне джерело, оскільки плюми зароджуються на кордоні ядра і нижньої мантії, де з більшою ймовірністю зберігається первинна речовина, з якої формувалася наша планета (Див. новину У сучасних острівних базальтах знайшли сліди первинної речовини, з якої утворилася Земля, «Елементи», 30.06.2017). Базальти типу MORB, що є похідними верхньої мантії, могли захоплювати летючі компоненти з атмосфери (де співвідношення ²⁰Ne/²²Ne становить ауд 9,8), а також збагачуватися поверхневим матеріалом, що надходить у верхню мантію в процесі субдукції (для довідки, співвідношення ²0Ne^/22Ne в базальтах типу MORB не перевищує 12,49 ^ 0,08).

Для дослідження автори використовували зразки подушкових базальтових лав з трьох зон плюмового вулканізму: Галапагоських островів, Ісландії та Самоа. Гази, що знаходяться в газових включеннях — крихітних бульбашках всередині базальту, — в процесі дослідження розкривалися за допомогою преса в герметичній камері і прямували у високочутливий мас-спектрометр. Для порівняння аналізувалися також гази з газових включень в базальтах срединно-океанічних хребтів (тип MORB). Всього було проаналізовано 12 зразків плюмових базальтів і 21 зразок базальтів типу MORB. Результати наведені на рис. 2.

Ріс. 2. Гістограма розподілу значень ²⁰Ne/²²Ne в базальтах типу MORB (суцільна лінія) і в плюмових базальтах (пунктирна лінія). Малюнок із засудженої статті в Nature

Видно, що ізотопні значення для плюмових базальтів істотно вище, ніж для базальтів типу MORB, і утворюють самостійну групу в інтервалі значень ²⁰Ne/²²Ne від 12,5 до 13,5. Максимальне зафіксоване значення — 13,03 0,04. Ці співвідношення явно вищі, ніж реперні значення для матеріалу, опроміненого сонячним вітром, і вуглистих хондритів. А максимальне розрахункове ^{значення} 20N^e/22Ne в первинному мантійному плюмі, отримане методом екстраполяції (13,23 ­ 0,22), взагалі дуже близьке до очікуваного значення для газу протопланетної хмари. Звідси слід два дуже важливих висновки.

Перший висновок фундаментально-теоретичний: отримано свідчення того, що Земля як планета сформувалася відносно швидко з протопланетної хмари пилу і газу, увібравши в себе з цієї хмари в тому числі воду, вуглець, азот та інші летючі компоненти, деякі з яких, найбільш інертні, досі утримуються в мантії Землі. Про це свідчить присутність «первородного» неона в глибокій мантії. Розрахунки показують, що для поглинання цих важливих для життя сполук планета повинна була досягти певного розміру — розміру Марса або трохи більшого — всього за 2-3 мільйони років, перш ніж газова протопланетна хмара розсіялася.

Другий висновок суто практичний: доведено, що базальти срединно-океанічних хребтів не можна розглядати як джерело інформації про склад первинної речовини Землі, оскільки вони є похідними верхньої мантії, у формуванні якої брали участь спочатку компоненти хондритів (які активно бомбардували Землю в період основної фази акреції), а потім і поверхневий матеріал, що надходив в мантію разом з субдуціюючими плитами.

Автори вважають, що, оскільки всі планети земної групи, швидше за все, утворилися за єдиним сценарієм, зроблені ними висновки можна поширювати і на інші планети цієї групи: всі вони формувалися досить швидко, і їх ембріони встигли збільшитися до значних розмірів ще до того, як протопланетна хмара зазнала дисипації (розсіювання газів, що містяться в ньому, в космічний простір).

Оскільки наявність води і летючих компонентів є однією з умов наявності життя на планетах, автори говорять про те, що і екзопланети земного типу повинні були утворюватися за схожим сценарієм.

Джерело: Curtis D. Williams & Sujoy Mukhopadhyay. Capture of nebular gases during Earth’s accretion is preserved in deep-mantle neon // Nature. 2018. DOI: 10.1038/s41586-018-0771-1.

Владислав Стрекопитов