Det bankende hjertet på planeten vår har forblitt et mysterium for forskere som søker etter hvordan Jorden dannet seg og hva som gikk inn i dens skaperverk. Men en nylig studie var i stand til å gjenskape de intense pressene som nærmer seg de som ble funnet i sentrum av jorden, og ga forskere et innblikk i planetenes tidlige dager, og til og med hvordan kjernen kan se ut nå.
De kunngjorde funnene sine i en fersk utgave av tidsskriftet Science . "Hvis vi finner ut hvilke elementer som er i kjernen, kan vi bedre forstå forholdene som Jorden dannet seg under, som deretter vil informere oss om historien om solsystemet, " sa hovedforfatterforfatter Anat Shahar, en geokjemist ved Carnegie Institution for Science i Washington, DC Det kan også gi forskere et innblikk i hvordan andre steinete planeter, både i vårt eget solsystem og utover, ble til.
Jorden dannet seg for rundt 4, 6 milliarder år siden gjennom utallige kollisjoner mellom steinete kropper som varierte i størrelse fra Mars-store gjenstander ned til asteroider. Når den tidlige jorden vokste, økte også dets indre trykk og temperatur.
Dette hadde implikasjoner for hvordan jern - som utgjør mesteparten av jordens kjerne - samhandlet kjemisk med lettere elementer som hydrogen, oksygen og karbon da det tyngre metallet ble skilt fra mantelen og sank ned i planetens indre. Mantelen er laget rett under jordskorpen, og bevegelsen av smeltet berg gjennom dette området driver platetektonikk.
Forskere har lenge erkjent at skiftende temperaturer kan påvirke i hvilken grad en versjon, eller isotop, av et element som jern blir en del av kjernen. Denne prosessen kalles isotopfraksjonering.
Før nå var imidlertid ikke presset ansett som en kritisk variabel som påvirker denne prosessen. "På 60- og 70-tallet ble det utført eksperimenter på jakt etter disse trykkeffektene, og ingen ble funnet, " sier Shahar, som er en del av programmet Deep Carbon Observatory. "Nå vet vi at presset de testet på - omtrent to gigapascals [GPa] - ikke var høye nok."
Et papir fra 2009 av et annet team antydet at press kunne ha påvirket elementene som gjorde det til planeten vår kjerne. Så Shahar og teamet hennes bestemte seg for å undersøke virkningene på nytt, men ved å bruke utstyr som kunne oppnå trykk på opptil 40 GPa - mye nærmere de 60 GPaene som forskere mener var gjennomsnittet under jordas tidlige kjernedannelse.
I eksperimenter utført ved det amerikanske energidepartementets Advanced Photon Source, et Office of Science-brukeranlegg ved Argonne National Laboratory i Illinois, plasserte teamet små prøver av jern blandet med hydrogen, karbon eller oksygen mellom poengene til to diamanter. Sidene av denne "diamant-amboltcellen" ble deretter klemt sammen for å generere enorme trykk.
Etterpå ble de transformerte jernprøvene bombardert med høydrevne røntgenstråler. "Vi bruker røntgenstrålene for å undersøke vibrasjonsegenskapene til jernfasene, " sa Shahar. De forskjellige vibrasjonsfrekvensene fortalte henne hvilke versjoner av jern hun hadde i prøvene.
Det teamet fant er at ekstremt press påvirker isotopfraksjonering. Spesielt oppdaget teamet at reaksjoner mellom jern og hydrogen eller karbon - to elementer som anses å være til stede i kjernen - burde ha etterlatt seg en signatur i mantelbergarter. Men den signaturen har aldri blitt funnet.
"Derfor tror vi ikke at hydrogen og karbon er de viktigste lyselementene i kjernen, " sa Shahar.
I motsetning til dette ville kombinasjonen av jern og oksygen ikke ha etterlatt seg spor i mantelen, ifølge gruppens eksperimenter. Så det er fremdeles mulig at oksygen kan være et av de lettere elementene i jordens kjerne.
Funnene støtter hypotesen om at oksygen og silisium utgjør hoveddelen av lyselementene som er oppløst i jordens kjerne, sier Joseph O'Rourke, en geofysiker ved Caltech i Pasadena, California, som ikke var involvert i studien.
"Oksygen og silisium er enormt rikelig i mantelen, og vi vet at de er løselige i jern ved høy temperatur og trykk, " sier O'Rourke. "Siden oksygen og silisium i utgangspunktet garantert kommer inn i kjernen, er det ikke mye rom for andre kandidater som hydrogen og karbon."
Shahar sa at teamet hennes planlegger å gjenta eksperimentet deres med silisium og svovel, andre mulige bestanddeler i kjernen. Nå som de har vist at trykk kan påvirke fraksjonering, planlegger gruppen også å se på effektene av trykk og temperatur sammen, som de spår vil gi andre resultater enn en av dem alene. “Eksperimentene våre ble alle utført med jernprøver ved romtemperatur. Men under kjernedannelsen ble alt smeltet, ”sa Shahar.
Funnene fra slike eksperimenter kan ha relevans for eksoplaneter, eller planeter utover vårt eget solsystem, sier forskere. "For eksoplaneter kan du bare se overflater eller atmosfærer, " sa Shahar. Men hvordan påvirker interiøret deres det som skjer på overflaten, spurte hun. "Svaret på disse spørsmålene vil påvirke hvorvidt det er liv på en planet eller ikke."
Lær om denne forskningen og mer på Deep Carbon Observatory.
Editor's Note, 5. mai 2016: Denne historien plasserte opprinnelig stedet for eksperimentene i Washington, DC De ble gjennomført på et laboratorium i Illinois.
