Meteoriter gav jorden första hjälpen

Dokumentationen kommer från en uppseendeväckande sten som hittats utanför Grönlands huvudstad Nuuk. Upptäckten är inte bara viktig för historien om jorden utan kan också få enorm betydelse för forskarnas sökande
efter liv i övriga universum.

Faner skapade grogrund för liv

Meteoritbombardemanget som förde vatten till jorden har på engelska fått beteckningen the late veneer.

Med ordet late avses att det var en för­senad leverans av materia jämfört med majoriteten av jordens massa, som praktiskt taget samlades samtidigt när planeten bildades för 4,54 miljarder år sedan.

Veneer, som betyder ”faner”, en tunn skiva av trä på exempelvis möbler som ger dem en vacker yta.

För jordens del var faneret ett tunt lager av olika grundämnen som var omistliga för livets uppkomst.

Tanken att meteoriter kan ha täckt jorden med ett sent faner väcktes för att ädelmetaller som guld och platina i dag finns nära marken.

När jorden bildades hamnade nämligen alla tunga metaller i kärnan. Orsaken till det står att finna i det sätt på vilket solsystemets inre stenplaneter bildades.

Materia samlades till planeter

När den nyfödda solen tändes för 4,6 miljarder år sedan omgavs den av en så kallad protoplanetär skiva av materia.

Medan skivan kretsade runt den nybildade solen samlades materia i allt större klumpar, tills endast en stor himlakropp dominerade i en viss omloppsbana.

Jorden, som slog läger drygt 150 miljoner kilometer från solen, dammsög denna zon av rymden på materia, medan exempelvis Mars intog en bana drygt 225 miljoner kilometer från solen.

Jorden röjde sin bana så snabbt att energin från kollisionerna fick den nyfödda planeten att smälta. I en flytande planet sjunker tyngre grundämnen till botten i en process som kallas differentiering.

Det rörde sig huvudsakligen om järn, som sjönk och blev till jordens kärna, medan lättare grundämnen som kisel, syre och aluminium steg upp och bildade jordens två yttre lager: Skorpan och manteln.

Fördelningen av jordens materia och sorteringen av ämnen upphörde troligen några miljoner år efter det att planetens bildats.

Sammen med jern forsvandt også størstedelen af de grundstoffer, kemikerne betegner som “jernelskende”, fra overfladen.

Et af dem er det hvide, hårde grundstof ruthenium, der spiller en helt afgørende rolle i den nye opdagelse.

Jakten på tidskapslar inleds

Rutenium, som tillhör gruppen lätta platina­metaller, förekommer i naturen i sju stabila isotoper – det vill säga varianter av samma grundämne som skiljer sig åt genom att de har olika många neutroner i atomkärnan.

Variationen ger isotoperna olika vikt och därmed små skillnader i hur de exempelvis reagerar kemiskt. När ett stjärnsystem bildas uppstår ett otal mikroskopiska skillnader i isotopfördelningen av grundämnen i olika himlakroppar.

Det gäller även isotoper av rutenium.

Forskargruppen från Köln, i vilken bland andra den danske geologen Kristoffer Szilas från Köpenhamns universitet ingick, tittade därför på isotop-fördelning­en i olika grupper av meteoriter, som kan ge svar på när bombardemanget träffade jorden, vilken typ av meteoriter det innehöll och varifrån de kom.

Innan forskarna kunde bevisa att meteor­itbombardemanget över huvud taget ägt rum behövde de jämföra ruteniums fingeravtryck i tre olika så kallade geo­kemiska tidskapslar.

Två av dessa kapslar hade forskarna redan tillgång till: Jorden av i dag och kolkondriter, en särskild grupp av meteoriter.

Denna meteorittyp, som består av upp till 22 procent vatten, är en bra kandidat till att ha fört det livgivande faneret till jorden.

För att verkligen förstå sambandet saknade emellertid forskarna den tredje tids­kapseln, ett exempel på den tidiga jordens innehåll av rutenium. Här kom en grönländsk sten som en skänk från jordens inre.

Analys avslöjade gammal kemi

Tillsammans med sina kollegor hittade nämligen Kristoffer Szilas ett mycket speciellt stenblock utanför Nuuk. Berget bakom staden innehåller planetens kanske äldsta skorpa och kan därmed ge en enastående inblick i planetens tidigaste historia.

Berggrunden i området utgörs huvudsakligen av tonalitisk gnejs, en relativt ljus och lätt bergart som består av magma som stelnat under marken och därefter delvis omvandlats av tryck och temperatur.

Inlagrade i gnejsen låg så kallade linser av en mörkare, ännu äldre sten. Forskarna vet inte exakt hur berget med linserna har bildats, men Kristoffer Szilas är övertygad om att det är en rest av en av planetens allra första landmassor.

Långt innan plattektoniken kom i gång och skapade egentliga kontinenter täcktes jorden av ett hav av magma som stelnade ovanifrån.

Skorpan av stelnad magma blev med tiden så tjock och därmed varm undertill att mineraler med låg smältpunkt åter­igen blev flytande och bildade ny magma med en annan kemi.

Den nya magman skapade den tonalitiska gnejsen på Grönland, som enligt Kristoffer Szilas sedan samlade upp linser av den mörka bergarten.

Det är inte så viktigt huruvida linserna är 3,8 miljarder år gamla liksom den omgivande tonalitiska gnejsen eller ännu äldre.

Det viktiga är att de låg långt ner i marken, möjligtvis 30 000 meter ner, när det sena fanerets meteoriter slog ner och därmed förblev opåverkade av de ämnen som bombardemanget tillförde.

Till forskarnas stora lycka har linserna inte bara överlevt i miljardtals år. Under tiden har 30 kilometer av ytan eroderat bort, vilket har gjort att det urgamla berget nu ligger blottat.

När Kristoffer Szilas och de övriga forskarna tog med sig ett stenprov av berget hem till laboratoriet och undersökte vilka grundämnen stenen innehöll hittade de exakt vad de letade efter.

I stenen hittade forskarna isotoper av rutenium och kunde därmed utgöra den tredje geokemiska tids­kapseln från den unga jorden.

Rak linje visar kosmisk cocktail

Forskarna undersökte proportionen mellan isotoperna rutenium-100 och rutenium-101 samt rutenium-101 och rutenium-102 i tids­kapslarna från den unga jorden, från jorden i dag och från kolkondritmeteoriterna.

När geologer talar om isotopproportion­en avser de avvikelser i proverna i förhållande till en definierad standard.

När det ­gäller rutenium är standarden den genomsnittliga fördelningen av isotoperna i den del av planeten som kallas manteln.

Om isotopproportionen i vår nuvarande jords mantel får värdet noll kan andra proportioner identifieras som antingen över eller under, varefter tidskapslarnas rutenium­avtryck läggs in i ett koordinatsystem med två axlar.

När jordens nuvarande sammansättning av rutenium och sammansättningen i kolkondriterna läggs in bildas en rak linje. Exakt på den linjen ligger även ruteniumproportionen i den grönländska stenen, fast i motsatt riktning till kolkondriterna.

Med andra ord framstår jordens nuvarande fördelning av ruteniumisotoper som en perfekt blandning mellan jordens ursprungliga kemi, representerad av den grönländska stenen och den kemi som jorden tillfördes med kolkondriterna via det sena faneret.

Jupiter sände meteoriter till oss

Förutom att bevisa teorin om det sena faneret ger forskarnas studie en hint om hur stor andel av jordens nuvarande massa som fördes hit av bombardemanget.

Forskarna tror att meteoriterna utgör drygt 0,3 procent av jordens vikt, det vill säga 20 triljarder ton.

En fråga som Kristoffer Szilas och hans kollegor dock inte har besvarat är varför bombardemanget över huvud taget ägde rum, för trots att det i dag finns kolkondriter i asteroidbältet mellan Mars och Jupiter visar en studie från år 2019, ledd av astro­kemisten Thomas S. Kruijer vid Lawrence Livermore National Laboratory i USA, att de har bildats längst ut i det ursprungliga solsystemet, långt från jorden.

Kruijer och hans kollegor ger dock en tänkbar förklaring med hjälp av en modell av det unga solsystemet och tillväxten av gasjätten Jupiter. Inom loppet av endast 500 000 år fick Jupiter 20 gånger större massa än jorden och förhindrade med sitt gravitationsfält att materia från det inre och det yttre solsystemet blandades.

Jupiter, som fortsatte att växa, hade efter två miljoner år 50 gånger större massa än jorden. Enligt modellen gjorde den stora massan att Jupiters bana blev så instabil att den rörde sig inåt i solsystemet, i riktning mot solen.

Rörelsen spreds som ringar på vattnet och kastade in materia från det yttre solsystemet i det inre.

Därmed uppstod en plötslig ökning av antalet meteoritnedslag på de inre planeterna – det sena faneret.

Följaktligen blir Jupiter, som i dag har växt till 318 jordmassor, av­görande för att liv uppstod på jorden. Utan jätteplanetens inblandning hade nämligen guld, platina och – viktigast av allt – vatten troligen aldrig nått jorden.

Ökad chans för liv i rymden

Räkneexemplet för fördelningen av materia i det unga solsystemet stämmer nu betydligt bättre, men forskningen har också gett nya kunskaper som på sikt kan visa sig vara ännu viktigare.

Beviset på det sena faneret visar nämligen att majoriteten av de ämnen som är avgörande för livet kom till jorden relativt sent i dess bildning.

Ju senare livsbetingelserna kom till jorden, desto snabbare har livet utvecklats. Det innebär att exoplaneter, planeter i främmande stjärnsystem, som hittills har betraktats som alltför unga för att kunna hysa liv eventuellt är värda en närmare titt. Och även i vårt eget grannskap kan stora upptäckter vara på väg.

Liksom jorden ligger Mars i den så kallade beboeliga zonen. Där kan livet ha hunnit blomstra under den mycket korta period från det att vattnet kom till Mars för fyra miljarder år sedan tills planeten förlorade sitt magnetfält och därmed sin atmosfär.

Marsrovern Perseverance har därför som huvuduppgift att leta efter spår av det sena faneret och sedan följande liv på den röda planeten.