Kvävehaltig, Jordliknande planeter kan bildas om deras råmaterial växer snabbt till planet- och embryon i månstorlek och Mars-storlek innan de separeras till atmosfär med kärnmantel-skorpa, enligt forskare från Rice University. Om metallsilikatdifferentiering är snabbare än tillväxten av planetariska embryostorlekar, då misslyckas fasta behållare med mycket kväve och planeter som växer från sådant råmaterial blir extremt kvävefattiga. Upphovsman:Amrita P. Vyas/Rice University
Utsikterna för liv på en given planet beror inte bara på var det bildas utan också hur, enligt forskare från Rice University.
Planeter som Jorden som kretsar inom ett solsystems Goldilocks -zon, med förhållanden som stöder flytande vatten och en rik atmosfär, är mer benägna att hysa liv. Som det visar sig, hur den planeten kom ihop avgör också om den fångade och behöll vissa flyktiga element och föreningar, inklusive kväve, kol och vatten, som ger upphov till liv.
I en studie publicerad i Naturgeovetenskap , Ris doktorand och huvudförfattare Damanveer Grewal och professor Rajdeep Dasgupta visar tävlingen mellan den tid det tar för material att ackumuleras i en protoplanet och den tid som protoplaneten tar att separera i sina distinkta lager - en metallkärna, ett skal av silikatmantel och ett atmosfäriskt hölje i en process som kallas planetdifferentiering - är avgörande för att bestämma vilka flyktiga element den steniga planeten behåller.
Använda kväve som proxy för flyktiga ämnen, forskarna visade det mesta av kväveutsläppet till protoplanets atmosfär under differentiering. Detta kväve förloras därefter till rymden när protoplaneten antingen svalnar eller kolliderar med andra protoplaneter eller kosmiska kroppar under nästa steg av sin tillväxt.
Denna process tömmer kväve i atmosfären och manteln på steniga planeter, men om metallkärnan behåller tillräckligt, det kan fortfarande vara en betydande kvävekälla under bildandet av jordliknande planeter.
Rice University geokemister analyserade experimentella prover av samexisterande metaller och silikater för att lära sig hur de kemiskt skulle interagera när de placeras under tryck och temperaturer liknande dem som upplevs av differentierande protoplaneter. Använda kväve som en proxy, de teoretiserar att hur en planet kommer ihop har konsekvenser för om den fångar och behåller flyktiga element som är viktiga för livet. Upphovsman:Tommy LaVergne/Rice University
Dasguptas högtryckslaboratorium vid Rice fångade protoplanetär differentiering i aktion för att visa kvävens affinitet mot metalliska kärnor.
"Vi simulerade högtrycks-temperaturförhållanden genom att utsätta en blandning av kvävehaltig metall och silikatpulver för nästan 30, 000 gånger atmosfärstrycket och värmer dem bortom deras smältpunkter, "Grewal sa." Små metallblossar inbäddade i silikatglasen i de återvunna proverna var respektive analoger av protoplanetära kärnor och mantlar. "
Med hjälp av denna experimentella data, forskarna modellerade de termodynamiska relationerna för att visa hur kväve fördelar sig mellan atmosfären, smält silikat och kärna.
"Vi insåg att fraktionering av kväve mellan alla dessa reservoarer är mycket känslig för kroppens storlek, "Sa Grewal." Med hjälp av denna idé, vi kunde beräkna hur kväve skulle ha separerat mellan olika reservoarer av protoplanetära kroppar genom tiden för att äntligen bygga en beboelig planet som jorden. "
Deras teori antyder att råmaterial för jorden växte snabbt till runt mån- och Mars-stora embryon innan de slutförde processen med att differentiera till det välkända metallsilikat-gasångarrangemanget.
Rice University doktorand Damanveer Grewal, vänster, och geokemisten Rajdeep Dasgupta diskuterar sina experiment i labbet, där de komprimerar komplexa blandningar av element för att simulera förhållanden djupt i protoplaneter och planeter. I en ny studie, de bestämde att hur en planet kommer ihop har konsekvenser för om den fångar och behåller de flyktiga elementen, inklusive kväve, kol och vatten, väsentligt för livet. Upphovsman:Tommy LaVergne/Rice University
I allmänhet, de uppskattar embryon som bildas inom 1-2 miljoner år efter solsystemets början, långt tidigare än den tid det tog för dem att helt skilja sig. Om differentieringshastigheten var snabbare än ackumuleringstakten för dessa embryon, de steniga planeterna som bildas av dem kunde inte ha ackumulerat tillräckligt med kväve, och troligen andra flyktiga ämnen, avgörande för att utveckla förhållanden som stöder livet.
"Våra beräkningar visar att bildandet av en planet i jordstorlek via planetariska embryon som växte extremt snabbt innan metallsilikatdifferentiering genomgick sätter en unik väg för att tillfredsställa jordens kvävebudget, "sa Dasgupta, huvudutredaren av CLEVER Planets, ett NASA-finansierat samarbetsprojekt som utforskar hur livsviktiga element kan ha kommit samman på steniga planeter i vårt solsystem eller på avlägsna, steniga exoplaneter.
"Detta arbete visar att det finns mycket större affinitet av kväve mot kärnbildande metallvätska än man tidigare trott, " han sa.
Studien följer tidigare verk, en som visar hur påverkan av en månbildande kropp kunde ha gett jorden mycket av dess flyktiga innehåll, och en annan som tyder på att planeten fick mer av sitt kväve från lokala källor i solsystemet än man en gång trodde.
I den senare studien, Grewal sa, "Vi visade att protoplaneter som växte i både inre och yttre delar av solsystemet ackumulerade kväve, och jorden skaffade sitt kväve genom att ackumulera protoplaneter från båda dessa regioner. Dock, det var okänt hur jordens kvävebudget upprättades. "
"Vi gör ett stort påstående som kommer att gå längre än bara ämnet om flyktiga grundämnen och kväve, och kommer att påverka ett tvärsnitt av det vetenskapliga samfundet som är intresserad av planets bildande och tillväxt, "Sa Dasgupta.
