地質学者が45億年前の「原始地球」の最初の証拠を発見 |マサチューセッツ工科大学ニュース

MITなどの科学者らは、約45億年前に形成され、その後巨大衝突によって原始惑星の組成が不可逆的に変化し、今日私たちが知っているような地球が誕生する前の「原始地球」の極めて稀な残骸を発見した。彼らの発見は、 今日の日記で報告されました 自然地球科学は、科学者が初期の地球と太陽系の残りの部分を形成した原始的な出発材料をつなぎ合わせるのに役立ちます。

数十億年前、初期の太陽系はガスと塵の渦巻く円盤でしたが、最終的に凝集して蓄積して最古の隕石を形成し、その後合体して原始地球とその近隣の惑星を形成しました。

この初期段階では、地球はおそらく岩が多く、溶岩が泡立っていたと考えられます。それから 1 億年も経たないうちに、火星サイズの隕石が特異な「ジャイアント インパクト」イベントでこの幼児惑星に衝突し、惑星の内部が完全にスクランブルされ、溶解され、その化学的性質が事実上リセットされました。原始地球がどのような元の物質で作られていたとしても、完全に変化したと考えられています。

しかし、MIT チームの調査結果はそうではないことを示唆しています。研究者らは、今日地球上で見つかっている他のほとんどの物質とは異なる古代の岩石の化学的特徴を特定しました。その特徴は、非常に古く、非常に深い岩石のサンプルで発見されたカリウム同位体の微妙な不均衡の形です。研究チームは、カリウムの不均衡は、過去に起きた大きな衝突や現在地球で起こっている地質学的過程によって生じたものではないと判断した。

サンプルの化学組成について最も可能性の高い説明は、初期の惑星の大部分が衝撃を受けて変化したにもかかわらず、何らかの形で変化せずに残った、原始地球からの残留物質に違いないということです。

「これはおそらく、私たちが原始地球の物質を保存したことを示す最初の直接的な証拠です」と、MIT の地球惑星科学のポール M. クック キャリア開発助教授ニコール ニーは言います。 「巨大衝突以前から、非常に古代の地球の一部が見えています。この非常に初期の痕跡は地球の進化によってゆっくりと消去されると予想されるため、これは驚くべきことです。」

この研究の他の著者には、中国の成都理工大学のDa Wang氏、ワシントンのカーネギー科学研究所のSteven Shirey氏とRichard Carlson氏、スイスのチューリッヒ工科大学のBradley Peters氏、カリフォルニア州のスクリップス海洋研究所のJames Day氏が含まれる。

奇妙な異常事態

2023 年、ニーと同僚は、世界中の遺跡から収集され、注意深く研究されてきた多くの主要な隕石を分析しました。これらの隕石は地球に衝突する前に、太陽系全体のさまざまな時期と場所で形成された可能性が高く、時間の経過とともに変化する太陽系の状態を表しています。研究者らがこれらの隕石サンプルの化学組成を地球のものと比較したところ、その中に「カリウム同位体異常」があることが判明した。

同位体は、陽子の数は同じだが中性子の数が異なる、元素のわずかに異なるバージョンです。元素カリウムは、質量数 (陽子と中性子) がそれぞれ 39、40、および 41 である 3 つの天然同位体のいずれかに存在します。地球上のカリウムが発見された場所ではどこでも、カリウム 39 とカリウム 41 が圧倒的に優勢な、特徴的な同位体の組み合わせで存在します。カリウム 40 は存在しますが、それに比べてごくわずかな割合です。

ニーと同僚は、研究した隕石が地球上のほとんどの物質とは異なるカリウム同位体のバランスを示していることを発見しました。このカリウムの異常は、同様の異常を示す物質は地球の現在の組成よりも古いものである可能性が高いことを示唆しています。言い換えれば、カリウムの不均衡は、巨大衝突によって惑星の化学組成がリセットされる前に、原始地球からの物質が存在したことを示す強力な兆候となるでしょう。

「その研究では、隕石ごとに異なるカリウム同位体の特徴があることがわかりました。つまり、カリウムは地球の構成要素のトレーサーとして使用できるということです」とニー氏は説明する。

“違う造り”

今回の研究では、研究チームは隕石ではなく地球内部でカリウム異常の兆候を探した。彼らのサンプルには、保存された最古の岩石のいくつかが発見されているグリーンランドとカナダからの粉末状の岩石が含まれています。彼らはまた、ハワイで採取された溶岩堆積物も分析した。ハワイでは、火山がマントル（地殻と核を隔てる惑星の最も厚い岩石の層）から地球最古の最も深い物質の一部を運び出した。

「このカリウムの痕跡が保存されているのであれば、私たちはそれを遠い時間と地球深部で探したいと思うでしょう」とニー氏は言います。

研究チームはまず、さまざまな粉末サンプルを酸に溶解し、次にサンプルの残りの部分からカリウムを慎重に分離し、特別な質量分析計を使用してカリウムの 3 つの同位体それぞれの比率を測定しました。注目すべきことに、彼らはサンプル中に、地球上のほとんどの物質で見つかったものとは異なる同位体特徴を特定した。

具体的には、カリウム 40 同位体の欠損を特定しました。地球上のほとんどの物質では、この同位体はすでにカリウムの他の 2 つの同位体と比較すると重要ではない部分にすぎません。しかし研究者らは、サンプルに含まれるカリウム 40 の割合がさらに少ないことを確認できました。この小さな欠損を検出することは、バケツにいっぱい入った黄砂ではなく、バケツの中で一粒の茶色の砂を見つけることに似ています。

研究チームは実際、サンプルがカリウム 40 欠乏を示していることを発見し、その材料が今日地球上で見られるもののほとんどと比べて「異なって作られた」ことを示しているとニー氏は言う。

しかし、これらのサンプルは原始地球の希少な残骸である可能性があるでしょうか?これに答えるために、研究者らはこれが事実である可能性があると推測しました。彼らは、もし原始地球がもともとそのようなカリウム40欠乏物質から作られていたとしたら、この物質の大部分は、巨大な衝突とそれに続く小さな隕石の衝突によって化学変化を受け、最終的に今日私たちが目にするカリウム40を多く含む物質をもたらしたであろう、と推論した。

研究チームは、既知のすべての隕石の組成データを使用し、これらの隕石と巨大衝突による衝突後にサンプルのカリウム 40 不足がどのように変化するかについてのシミュレーションを実行しました。彼らはまた、マントルの加熱や混合など、地球が時間の経過とともに経験した地質学的プロセスもシミュレートしました。最終的に、彼らのシミュレーションにより、カナダ、グリーンランド、ハワイのサンプルと比較してカリウム 40 の割合がわずかに高い組成が生成されました。さらに重要なのは、シミュレーションされた組成がほとんどの現代の材料の組成と一致したことです。

この研究は、カリウム 40 が不足している物質は原始地球からの元の物質の残りである可能性が高いことを示唆しています。

不思議なことに、サンプルの特徴は、地質学者のコレクションにある他の隕石と正確には一致しません。研究チームの以前の研究では隕石にはカリウムの異常が見られましたが、それらは原始地球のサンプルで見られた欠損と全く同じではありません。これは、原始地球をもともと形成していた隕石や物質が何であれ、まだ発見されていないことを意味します。

「科学者たちは、さまざまなグループの隕石の組成を組み合わせることで、地球の元の化学組成を理解しようと努めてきました」とニー氏は言う。 「しかし、私たちの研究は、現在の隕石の目録が完全ではなく、私たちの惑星がどこから来たのかについて学ぶべきことがたくさんあることを示しています。」

この研究は、NASA と MIT によって部分的に支援されました。