Jorden bildades relativt snabbt från molnet av damm och gas runt solen, fångar vatten och gaser i planetens mantel, enligt forskning publicerad 5 december i tidskriften Natur . Förutom att bestämma jordens ursprung, arbetet kan hjälpa till att identifiera extrasolära system som kan stödja beboeliga planeter.

Med hjälp av data från jordens djup till rymden, University of California Davis Professor Sujoy Mukhopadhyay och postdoktor Curtis Williams använde neonisotoper för att visa hur planeten bildades.

"Vi försöker förstå var och hur neon i jordens mantel förvärvades, som berättar hur snabbt planeten bildades och under vilka förhållanden, " sa Williams.

Neon är faktiskt en stand-in för där gaser som vatten, koldioxid och kväve kom från, sa Williams. Till skillnad från dessa föreningar som är livsnödvändiga, neon är en inert ädelgas, och det påverkas inte av kemiska och biologiska processer.

"Så neon behåller ett minne av var det kom ifrån även efter fyra och en halv miljard år, " sa Mukhopadhyay.

Det finns tre konkurrerande idéer om hur jorden bildades från en protoplanetär skiva av damm och gas för över fyra miljarder år sedan och hur vatten och andra gaser levererades till den växande jorden. I den första, planeten växte relativt snabbt under två till fem miljoner år och fångade gas från nebulosan, det virvlande molnet av damm och gas som omger den unga solen. Den andra teorin antyder att dammpartiklar bildades och bestrålades av solen under en tid innan de kondenserade till miniatyrobjekt som kallas planetesimaler som sedan levererades till den växande planeten. I det tredje alternativet, jorden bildades relativt långsamt och gaser levererades av kolhaltiga kondritmeteoriter som är rika på vatten, kol och kväve.

Dessa olika modeller har konsekvenser för hur den tidiga jorden var, sa Mukhopadhyay. Om jorden snabbt bildades ur solnebulosan, det skulle ha haft mycket vätgas vid eller nära ytan. Men om jorden bildades av kolhaltiga kondriter, dess väte skulle ha kommit i mer oxiderad form, vatten.

Neon från havsbotten till rymden

För att ta reda på vilken av de tre konkurrerande idéerna om planetbildning och leverans av gaser som var korrekta, Williams och Mukhopadhyay mätte noggrant förhållandena mellan neonisotoper som var fångade i jordens mantel när planeten bildades. Neon har tre isotoper, neon-20, 21 och 22. Alla tre är stabila och icke-radioaktiva, men neon-21 bildas genom radioaktivt sönderfall av uran. Så mängderna av neon-20 och 22 i jorden har varit stabila sedan planeten bildades och kommer att förbli så för alltid, men neon-21 ackumuleras långsamt med tiden. De tre scenarierna för jordens bildning förutspås ha olika förhållande mellan neon-20 och neon-22.

Det närmaste de kunde komma manteln var att titta på stenar som kallas kuddbasalt på havsbotten. Dessa glasartade stenar är resterna av flöden från djupet av jorden som rann ut och svalnade i havet, senare för att samlas in av en borrexpedition ledd av University of Rhode Island, som gör sin samling tillgänglig för andra forskare.

Gaserna finns i små bubblor i basalten. Med hjälp av en press, Williams knäckte basaltchips i en förseglad kammare, låter gaserna strömma in i en känslig masspektrometer.

Nu till rymddelen. Tidigare forskare fastställde neonisotopförhållandet för modellen "solnebulosan" (tidig snabb formation) med data från Genesis-uppdraget, som fångade partiklar av solvinden. Data för modellen "bestrålade partiklar" kom från analyser av månjordar och av meteoriter. Till sist, kolhaltiga kondritmeteoriter tillhandahöll data för modellen "sen ackretion".

Minsta storlek för en beboelig planet

De isotopförhållanden de hittade var långt över de för modellerna "bestrålade partiklar" eller "sen ackretion", Williams sa, och stödja snabb tidig bildning.

"Detta är en tydlig indikation på att det finns nebulosformig neon i den djupa manteln, " sa Williams.

Neon, kom ihåg, är en markör för de andra flyktiga föreningarna. Väte, vatten, koldioxid och kväve skulle ha kondenserats till jorden samtidigt - alla ingredienser som, så vitt vi vet, gå till att skapa en beboelig planet.

Resultaten antyder att för att absorbera dessa viktiga föreningar, en planet måste nå en viss storlek – lika stor som Mars eller lite större – innan solnebulosan skingras. Observationer av andra solsystem visar att detta tar cirka två till tre miljoner år, sa Williams.

Händer samma process runt andra stjärnor? Observationer från Atacama Large Millimeter Array, eller ALMA, observatorium i Chile föreslår att det gör det, sa forskarna.

ALMA använder en uppsättning av 66 radioteleskop som fungerar som ett enda instrument för att avbilda damm och gas i universum. Den kan se planetbildande skivor av damm och gas runt några närliggande stjärnor. I vissa fall, det finns mörka band i de skivor där damm har tömts ut.

"Det finns ett par sätt som damm kan tömmas från disken, och en av dem är att de bildar planeter, " sa Williams.

"Vi kan observera planetbildning i en gasskiva i andra solsystem, och det finns en liknande uppteckning av vårt eget solsystem bevarat i jordens inre, " sade Mukhopadhyay. "Detta kan vara ett vanligt sätt för planeter att bildas någon annanstans."