Forscher des MIT und anderer Einrichtungen haben extrem seltene Überreste entdeckt, die möglicherweise von der "Proto-Erde" stammen, einem Himmelskörper, der sich vor etwa 4,5 Milliarden Jahren bildete und dessen Zusammensetzung durch eine massive Kollision irreversibel verändert wurde, wodurch die uns heute bekannte Erde entstand. Die Ergebnisse von , die kürzlich in der Fachzeitschrift Nature Geosciences veröffentlicht wurden, können dazu beitragen, die uralten, ursprünglichen Bestandteile zu rekonstruieren, aus denen die frühe Erde und der Rest des Sonnensystems entstanden sind.
Vor Milliarden von Jahren war das frühe Sonnensystem eine wirbelnde Scheibe aus Gas und Staub, deren Material sich schließlich verklumpte und zusammenzog, um die ersten Himmelskörper zu bilden, die dann kollidierten und verschmolzen, wodurch die Proto-Erde und ihre Nachbarplaneten entstanden.
In dieser frühen Phase war die Erde wahrscheinlich felsig, aber auf ihrer Oberfläche brodelte Lava. Weniger als 100 Millionen Jahre später stieß ein weiterer Himmelskörper von der Größe des Mars mit dem jungen Planeten zusammen, und zwar in einem ungewöhnlichen, gewaltigen Ereignis, das das Innere des Planeten vollständig durchmischte und schmolz und seine chemische Zusammensetzung praktisch völlig veränderte. Lange Zeit gingen die Wissenschaftler davon aus, dass das ursprüngliche Material, aus dem die Protoerde bestand, vollständig umgewandelt worden war und in seiner ursprünglichen Form nirgendwo mehr zu finden war.
Eine neue Studie des MIT-Teams kommt jedoch zu einem anderen Schluss. Die Forscher entdeckten in den alten Gesteinen chemische Signaturen, die sich von den meisten der heute auf der Erde vorkommenden Materialien unterscheiden. Diese Spuren treten in Proben von sehr altem und sehr tiefem Gestein auf und lassen sich durch feine Schwankungen im Gleichgewicht der Kaliumisotope nachweisen. Das Team kam zu dem Schluss, dass die entdeckten Kalium-Ungleichgewichte weder durch einen früheren großen Einschlag noch durch einen derzeit auf der Erde stattfindenden geologischen Prozess verursacht worden sein können.
Die wahrscheinlichste Erklärung für die chemische Zusammensetzung der Proben ist, dass es sich um Überreste von Proto-Erde-Materialien handelt, die einigermaßen unverändert erhalten geblieben sind, obwohl ein Großteil des frühen Planeten durch den Einschlag drastisch verändert wurde.
"Dies ist vielleicht der erste direkte Beweis dafür, dass die Materialien der Urerde erhalten geblieben sind", sagt Nicole Nie, wissenschaftliche Mitarbeiterin im MIT Department of Earth and Planetary Sciences. "Wir sehen ein Stück der sehr alten Erde aus der Zeit vor dem Rieseneinschlag. Das ist erstaunlich, denn man würde erwarten, dass diese sehr frühe Markierung im Laufe der Erdentwicklung langsam verschwunden ist."
Eine seltsame Anomalie
Im Jahr 2023 analysierten Nie und seine Kollegen (Da Wang von der Technischen Universität Chengdu in China, Steven Shirey und Richard Carlson von der Carnegie Institution of Science, Bradley Peters von der ETH Zürich in der Schweiz und James Day von der Scripps Institution of Oceanography) wiederholt eine große Anzahl der wichtigsten Meteoriten, die auf der ganzen Welt gesammelt und in der Vergangenheit sorgfältig untersucht wurden. Bevor sie auf die Erde fielen, bildeten sich diese Meteoriten zu verschiedenen Zeiten und an verschiedenen Orten im Sonnensystem und spiegeln daher die Veränderungen im Sonnensystem im Laufe der Zeit wider. Als die Forscher die Chemie dieser Proben mit der der Erde verglichen, stellten sie eine interessante Anomalie bei den Kaliumisotopen fest.
Die Isotope von sind leicht unterschiedliche Versionen eines Elements mit der gleichen Anzahl von Protonen, aber unterschiedlicher Anzahl von Neutronen. Es gibt drei natürlich vorkommende Kaliumisotope mit den Massenzahlen (Summe der Protonen- und Neutronenzahl) 39, 40 und 41. Überall, wo Kalium auf der Erde gefunden wurde, kommt es in einer charakteristischen Isotopenkombination vor, die durch ein Übergewicht von Kalium-39 und Kalium-41 gekennzeichnet ist. Kalium-40 ist ebenfalls vorhanden, jedoch in einem vernachlässigbaren Prozentsatz im Vergleich zu den beiden anderen.
Nie und seine Kollegen entdeckten, dass sich die Kaliumisotopenbilanz der von ihnen untersuchten Meteoriten von derjenigen der meisten Materialien auf der Erde unterscheidet. Diese Kaliumanomalie deutet darauf hin, dass jedes Material mit einer ähnlichen Anomalie wahrscheinlich aus der Zeit vor der heutigen Zusammensetzung der Erde stammt. Mit anderen Worten: Ein Ungleichgewicht im Kaliumhaushalt könnte ein deutliches Zeichen für das Vorhandensein von Material aus der Proto-Erde sein, bevor der massive Einschlag die chemische Zusammensetzung des Planeten veränderte.
"In dieser Studie haben wir festgestellt, dass verschiedene Meteoriten unterschiedliche Kaliumisotop-Eigenschaften aufweisen, was bedeutet, dass Kalium als Indikator für die Bausteine der Erde verwendet werden kann.
- erklärt Nie.
Anders aufgebaute Materialien
In ihrer jüngsten Untersuchung suchte das Team nach Anzeichen für Kaliumanomalien nicht in Meteoriten, sondern auf der Erde. Ihre Proben umfassten staubbildende Gesteine aus Grönland und Kanada, wo die ältesten erhaltenen Gesteine zu finden sind. Außerdem analysierten sie Lavaablagerungen von den Hawaii-Inseln, wo Vulkane Material aus dem Erdmantel aus dem frühesten und tiefsten Material der Erde hochgebracht haben.
"Wenn dieses Kaliumsignal erhalten geblieben ist, wollten wir es in den tiefen Erdschichten der Vergangenheit nachweisen", sagt Nie. Das Team löste die verschiedenen Staubproben zunächst in Säure auf, trennte dann sorgfältig das Kalium vom Rest der Probe und maß mit einem speziellen Massenspektrometer die Verhältnisse der drei Kaliumisotope. Interessanterweise stellten sie in den Proben eine Isotopensignatur fest, die sich von derjenigen unterscheidet, die im Großteil des Erdmaterials zu finden ist.
Insbesondere fanden sie ein fast vollständiges Fehlen des Isotops Kalium-40. In den meisten Materialien der Erde ist dieses Isotop bereits in vernachlässigbaren Mengen vorhanden, verglichen mit den beiden anderen Isotopen des Kaliums. Die Forscher stellten jedoch fest, dass die Proben einen noch geringeren Prozentsatz an Kalium-40 enthielten. Diese Abwesenheit ist so, als würde man in einem Eimer mit weißem Sand ein einziges braunes Sandkorn finden, im Gegensatz zu der kleinen Schaufel, die typisch ist.
Das Team stellte fest, dass die Proben tatsächlich einen Mangel an Kalium-40 aufwiesen, was bedeutet, dass die Materialien anders aufgebaut waren als die meisten der heute auf der Erde gefundenen Materialien.
Auf der Suche nach einer alten Erde
Könnten die Proben aber auch seltene Überreste einer Proto-Erde sein? Um die Antwort zu finden, haben die Forscher die Hypothese aufgestellt, dass dies der Fall ist. Sie kamen zu dem Schluss, dass, wenn die Proto-Erde ursprünglich aus solchem kalium-40-armen Material bestand, ein Großteil dieses Materials durch den Rieseneinschlag und nachfolgende kleinere Meteoriteneinschläge chemische Veränderungen erfuhr, die schließlich zur Bildung des heutigen kalium-40-reichen Materials führten.
Das Team nutzte Daten über die Zusammensetzung aller bekannten Meteoriten, um zu simulieren, wie sich der Kalium-40-Mangel in den Proben als Folge dieser Meteoriten und des Rieseneinschlags verändern würde. Außerdem simulierten sie geologische Prozesse, die im Laufe der Zeit auf der Erde stattgefunden haben, wie etwa die Erwärmung und Durchmischung des Erdmantels. Ihre Simulationen ergaben schließlich eine Zusammensetzung, die einen etwas höheren Kalium-40-Gehalt aufweist als die der kanadischen, grönländischen und hawaiianischen Proben, aber im Großen und Ganzen den meisten modernen Materialien entspricht.
Die Arbeit deutet daher darauf hin, dass das Material mit Kalium-40-Mangel tatsächlich ein Überbleibsel des ursprünglichen Materials der Proto-Erde sein könnte.
Interessanterweise stimmen die Eigenschaften der Proben nicht genau mit der Zusammensetzung eines Meteoriten in einer geologischen Sammlung überein. Obwohl die Meteoriten in den früheren Arbeiten des Teams ebenfalls Kaliumanomalien aufwiesen, stimmen diese nicht genau mit den Mängeln überein, die in den Proben der Proto-Erde gefunden wurden. Dies bedeutet, dass die Meteoriten und Materialien, aus denen die Proto-Erde ursprünglich entstanden ist, noch nicht entdeckt wurden.
"Die Forscher versuchen, die ursprüngliche chemische Zusammensetzung der Erde zu verstehen, indem sie die Zusammensetzung verschiedener Meteoritengruppen vergleichen", sagt Nie. "Unsere Studie zeigt jedoch, dass die derzeitigen Meteoritenaufzeichnungen unvollständig sind und es noch viel über die Ursprünge unseres Planeten zu lernen gibt."
