Ny forskning från University of Texas i Austin avslöjar att jordens unika järnsammansättning inte är kopplad till bildandet av planetens kärna, ifrågasätter en rådande teori om de händelser som formade vår planet under dess tidigaste år.

Forskningen, publiceras i Naturkommunikation den 20 februari öppnar dörren för andra konkurrerande teorier om varför jorden, i förhållande till andra planeter, har högre halter av tunga järnisotoper. Bland dem:lätta järnisotoper kan ha förångats ut i rymden av ett stort slag med en annan planet som bildade månen; mantelns långsamma vändning när den gör och återvinner jordskorpan kan företrädesvis införliva tungt järn i sten; eller, sammansättningen av råvaran som bildade planeten i dess tidigaste dagar kan ha berikats med tungt järn.

En isotop är en mängd olika atomer som har en annan vikt än andra atomer av samma grundämne eftersom den har olika antal neutroner.

"Jordens kärnbildning var förmodligen den största händelsen som påverkade jordens historia. Material som utgör hela jorden smälts och differentierades, "sa Jung-Fu Lin, en professor vid UT Jackson School of Geosciences och en av studiens författare. "Men i denna studie, vi säger att det måste finnas andra ursprung för jordens järnisotopanomali. "

Jin Liu, nu en postdoktor vid Stanford University, ledde forskningen medan han fick sin doktorsexamen på Jacksonskolan. Medarbetare inkluderar forskare från University of Chicago, Sorbonne -universitet i Frankrike, Argonne National Laboratory, centrum för högtrycksvetenskap och avancerad teknikforskning i Kina, och University of Illinois i Urbana-Champaign.

Stenprover från andra planetariska kroppar och föremål – allt från månen, till mars, till gamla meteoriter som kallas kondriter - alla delar ungefär samma förhållande mellan tunga och lätta järnisotoper. I jämförelse med dessa prover från rymden, stenar från jorden har cirka 0,01 procent fler tunga järnisotoper än lätta isotoper.

Det låter kanske inte så mycket, men Lin sa att det är tillräckligt viktigt för att göra jordens järnkomposition unik bland kända världar.

"Denna anomali på 0,01 procent är mycket betydande jämfört med, säga, kondriter, "Sade Lin." Denna betydande skillnad representerar alltså en annan källa eller ursprung för vår planet. "

Lin sa att en av de mest populära teorierna för att förklara jordens järnsignatur är att planetens relativt stora storlek (jämfört med andra steniga kroppar i solsystemet) skapade högt tryck och höga temperaturförhållanden under kärnbildning som gjorde att olika proportioner tunga och lätta järnisotoper ackumuleras i kärnan och manteln. Detta resulterade i en större andel tunga järnisotoper som limmade med element som utgör den steniga manteln, medan lättare järnisotoper binds samman och med andra spårmetaller för att bilda jordens kärna.

Men när forskargruppen använde ett diamantstäd för att utsätta små prover av metalllegeringar och silikatstenar för kärnbildningstryck, de fann inte bara att järnisotoperna stannade kvar, men att banden mellan järn och andra grundämnen blev starkare. Istället för att bryta och återhämta sig med vanliga mantel- eller kärnelement, den ursprungliga bindningskonfigurationen blev stabilare.

"Våra högtrycksstudier visar att isotopfraktionering av järn mellan silikatmantel och metallkärna är minimal, "sa Liu, huvudförfattaren.

Medförfattare Nicolas Dauphas, professor vid University of Chicago, betonade att analysen av atomskalemätningarna var en prestation för sig själv.

"Man måste använda sofistikerade matematiska tekniker för att förstå mätningarna, "sa han." Det krävdes ett drömlag för att klara av det här. "

Helen Williams, en geologilektor vid University of Cambridge, sa att det är svårt att känna till de fysiska förhållandena för jordens kärnbildning, men att det höga trycket i experimentet ger en mer realistisk simulering.

"Detta är en riktigt elegant studie som använder ett mycket nytt tillvägagångssätt som bekräftar äldre experimentella resultat och utökar dem till mycket högre tryck som är lämpliga för de sannolika förhållandena för kärn-manteljämvikt på jorden, "Sa Williams.

Lin sa att det kommer att ta mer forskning för att avslöja orsaken till jordens unika järnsignatur, och att experiment som approximerar tidiga förhållanden på jorden kommer att spela en nyckelroll eftersom stenar från kärnan är omöjliga att uppnå.