In overeenstemming met de nevelhypothese wordt aangenomen dat het zonnestelsel is gevormd door middel van accretie. In wezen begon dit toen een enorme wolk van stof en gas (ook bekend als de Zonnenevel) in het midden een zwaartekracht instortte, waardoor de zon geboren werd. Het resterende stof en gas vormden vervolgens een protoplanetaire schijf rond de zon, die geleidelijk samensmolt om de planeten te vormen.
Veel over het proces van hoe planeten zich ontwikkelden om zich in hun composities te onderscheiden, is echter een mysterie gebleven. Gelukkig heeft een nieuwe studie door een team van onderzoekers van de University of Bristol het onderwerp met een frisse blik benaderd. Door een combinatie van aardmonsters en meteorieten te onderzoeken, hebben ze nieuw licht geworpen op hoe planeten zoals de aarde en Mars zich vormden en evolueerden.
De studie, getiteld "Magnesium Isotope Evidence that Accretional Vapor Loss Shapes Planetary Compositions", verscheen onlangs in het wetenschappelijke tijdschrift Natuur. Onder leiding van Remco C. Hin, een senior onderzoeksmedewerker van de School of Earth Sciences aan de Universiteit van Bristol, vergeleek het team monsters van gesteente van de aarde, Mars en de asteroïde Vesta om de niveaus van magnesiumisotopen erin te vergelijken.
Hun studie probeerde een antwoord te geven op wat een slepende vraag was in de wetenschappelijke gemeenschap - d.w.z. vormden de planeten zoals ze nu zijn, of verwierven ze hun onderscheidende composities in de loop van de tijd? Zoals Dr. Remco Hin uitlegde in een persbericht van de University of Bristol:
“We hebben aangetoond dat een dergelijke reeks gebeurtenissen plaatsvond in de vorming van de aarde en Mars, met behulp van zeer nauwkeurige metingen van hun magnesiumisotoopcomposities. Verhoudingen van magnesiumisotopen veranderen als gevolg van dampverlies van silicaat, dat bij voorkeur de lichtere isotopen bevat. Op deze manier schatten we dat meer dan 40 procent van de massa van de aarde tijdens de constructie verloren is gegaan. Deze bouwopdracht voor cowboys, zoals een van mijn co-auteurs het beschreef, was ook verantwoordelijk voor het creëren van de unieke compositie van de aarde.”
Om het af te breken, bestaat de aanwas uit materiaalklontjes die in botsing komen met aangrenzende bosjes om grotere objecten te vormen. Dit proces is erg chaotisch en materiaal gaat vaak verloren en wordt ook opgehoopt als gevolg van de extreme hitte die wordt gegenereerd door deze snelle botsingen. Er wordt ook aangenomen dat deze hitte oceanen van magma heeft gecreëerd op de planeten zoals ze zich hebben gevormd, om nog maar te zwijgen van de tijdelijke atmosfeer van verdampt gesteente.
Totdat planeten ongeveer even groot werden als Mars, was hun aantrekkingskracht door de zwaartekracht te zwak om deze atmosferen vast te houden. En naarmate er meer botsingen plaatsvonden, zou de samenstelling van deze atmosfeer en van de planeten zelf aanzienlijk veranderen. Hoe de aardse planeten - Mercurius, Venus, aarde en Mars - precies hun huidige, vluchtig-arme composities in de loop van de tijd hebben verkregen, is wat wetenschappers hoopten aan te pakken.
Sommigen zijn bijvoorbeeld van mening dat de huidige composities van de planeten het resultaat zijn van bepaalde combinaties van gas en stof tijdens de eerste perioden van planeetvorming - waar terrestrische planeten rijk zijn aan silicaat / metaal, maar vluchtig arm zijn, waardoor elementen het dichtst in de buurt kwamen de zon. Anderen hebben gesuggereerd dat hun huidige samenstelling het gevolg is van hun gewelddadige groei en botsingen met andere lichamen.
Om hier licht op te werpen, analyseerden Dr. Hin en zijn medewerkers monsters van de aarde, samen met meteorieten van Mars en de asteroïde Vesta met behulp van een nieuwe analytische benadering. Deze techniek is in staat om nauwkeuriger metingen van magnesiumisotopenrantsoenen te verkrijgen dan welke eerdere methode dan ook. Deze methode toonde ook aan dat alle gedifferentieerde lichamen - zoals de aarde, Mars en Vesta - isotopisch zwaardere magnesiumsamenstellingen hebben dan chondritische meteorieten.
Hieruit konden ze drie conclusies trekken. Ten eerste ontdekten ze dat de aarde, Mars en Vesta verschillende magnesiumisotooprantsoenen hebben die niet konden worden verklaard door condensatie van de zonnenevel. Ten tweede merkten ze op dat uit de studie van zware magnesiumisotopen bleek dat de planeten in alle gevallen ongeveer 40% procent van hun massa verloren tijdens hun vormingsperiode, na herhaalde verdampingsperiodes.
Ten slotte hebben ze vastgesteld dat het accretieproces resulteert in andere chemische veranderingen die de unieke chemische kenmerken van de aarde genereren. Kortom, hun onderzoek toonde aan dat de aarde, Mars en Vesta na de vorming allemaal aanzienlijk materiaalverlies leden, wat betekent dat hun bijzondere composities waarschijnlijk het gevolg waren van botsingen in de tijd. Zoals dr. Hin zei:
“Ons werk verandert onze kijk op hoe planeten hun fysische en chemische eigenschappen bereiken. Hoewel eerder bekend was dat het bouwen van planeten een gewelddadig proces is en dat de composities van planeten zoals de aarde verschillend zijn, was het niet duidelijk dat deze kenmerken met elkaar verbonden waren. We laten nu zien dat dampverlies tijdens de botsingen met hoge energie van planetaire aanwas een diepgaand effect heeft op de samenstelling van een planeet. "
Uit hun onderzoek bleek ook dat dit gewelddadige vormingsproces kenmerkend kan zijn voor planeten in het algemeen. Deze bevindingen zijn niet alleen significant als het gaat om de vorming van het zonnestelsel, maar ook van buitenzonne-planeten. Als het tijd is om verre sterrenstelsels te verkennen, zullen de kenmerkende composities van hun planeten ons veel vertellen over de omstandigheden waaruit ze zijn ontstaan en hoe ze zijn ontstaan.
