Även om jorden länge har studerats i detalj, måste några grundläggande frågor fortfarande besvaras. En av dem gäller bildandet av vår planet, om vars början forskare fortfarande är oklara. Ett internationellt forskarlag under ledning av ETH Zürich och National Centre of Competence in Research PlanetS föreslår nu ett nytt svar på denna fråga baserat på laboratorieexperiment och datorsimuleringar. Forskarna har publicerat sin studie i tidskriften Nature Astronomy .

En oförklarlig diskrepans

"Den rådande teorin inom astrofysik och kosmokemi är att jorden bildades av kondritiska asteroider. Dessa är relativt små, enkla block av sten och metall som bildades tidigt i solsystemet", förklarar studiens huvudförfattare, Paolo Sossi, professor i experimentell Planetologi vid ETH Zürich. "Problemet med den här teorin är att ingen blandning av dessa kondriter kan förklara jordens exakta sammansättning, som är mycket fattigare på lätta, flyktiga grundämnen som väte och helium än vi skulle ha förväntat oss."

Olika hypoteser har lagts fram under åren för att förklara denna diskrepans. Till exempel postulerades det att kollisioner mellan objekten som senare bildade jorden genererade enorma mängder värme. Detta förångade de lätta elementen och lämnade planeten i sin nuvarande sammansättning.

Sossi är dock övertygad om att dessa teorier görs osannolika så fort man mäter isotopsammansättningen av jordens olika grundämnen:"Isotoperna av ett kemiskt grundämne har alla samma antal protoner, om än olika antal neutroner. Isotoper med färre neutroner är lättare och borde därför lättare kunna fly.Om teorin om förångning genom uppvärmning vore korrekt skulle vi hitta färre av dessa ljusisotoper på jorden idag än i de ursprungliga kondriterna.Men det är just vad isotopmätningarna inte visar. "

En kosmisk smältdegel

Sossis team letade därför efter en annan lösning. "Dynamiska modeller med vilka vi simulerar bildningen av planeter visar att planeterna i vårt solsystem bildades progressivt. Små korn växte med tiden till kilometerstora planetesimaler genom att ackumulera mer och mer material genom sin gravitationskraft", förklarar Sossi. I likhet med kondriter är planetesimaler också små kroppar av sten och metall. Men till skillnad från kondriter har de värmts upp tillräckligt för att differentiera sig till en metallisk kärna och en stenig mantel. "Dessutom kan planetesimaler som bildades i olika områden runt den unga solen eller vid olika tidpunkter ha väldigt olika kemiska sammansättningar", tillägger Sossi. Frågan är nu om den slumpmässiga kombinationen av olika planetesimaler faktiskt resulterar i en sammansättning som matchar jordens.

För att ta reda på det körde teamet simuleringar där tusentals planetesimaler kolliderade med varandra i det tidiga solsystemet. Modellerna utformades på ett sådant sätt att det med tiden reproducerades himlakroppar som motsvarar de fyra steniga planeterna Merkurius, Venus, Jorden och Mars. Simuleringarna visar att en blandning av många olika planetesimaler faktiskt skulle kunna leda till jordens effektiva sammansättning. Dessutom är jordens sammansättning till och med det mest statistiskt sannolika resultatet av dessa simuleringar.

En ritning för andra planeter

"Även om vi hade misstänkt det, tyckte vi ändå att det här resultatet var mycket anmärkningsvärt", minns Sossi. "Vi har nu inte bara en mekanism som bättre förklarar jordens bildande, utan vi har också en referens för att förklara bildandet av de andra steniga planeterna", säger forskaren. Mekanismen skulle till exempel kunna användas för att förutsäga hur Merkurius sammansättning skiljer sig från de andra stenplaneternas. Eller hur steniga exoplaneter av andra stjärnor kan vara sammansatta.

"Vår studie visar hur viktigt det är att ta hänsyn till både dynamiken och kemin när man försöker förstå planetbildningen", konstaterar Sossi. "Jag hoppas att våra resultat kommer att leda till ett närmare samarbete mellan forskare inom dessa två områden." + Utforska vidare

Varför finns det vatten på jorden?