Azoto-cuscinetto, Pianeti simili alla Terra possono essere formati se il loro materiale di base cresce rapidamente fino a raggiungere embrioni planetari delle dimensioni della luna e di Marte prima di separarsi in atmosfera di crosta-mantello-nucleo, secondo gli scienziati della Rice University. Se la differenziazione metallo-silicato è più veloce della crescita dei corpi planetari delle dimensioni di un embrione, quindi i serbatoi solidi non riescono a trattenere molto azoto e i pianeti che crescono da tale materia prima diventano estremamente poveri di azoto. Credito:Amrita P. Vyas/Rice University
Le prospettive di vita su un dato pianeta dipendono non solo da dove si forma ma anche da come, secondo gli scienziati della Rice University.
Pianeti come la Terra che orbitano all'interno della zona di Riccioli d'oro del sistema solare, con condizioni che supportano l'acqua liquida e un'atmosfera ricca, hanno maggiori probabilità di ospitare la vita. Come risulta, il modo in cui quel pianeta si è riunito determina anche se ha catturato e mantenuto alcuni elementi e composti volatili, compreso azoto, carbonio e acqua, che danno origine alla vita.
In uno studio pubblicato su Geoscienze naturali , Lo studente laureato Rice e autore principale Damanveer Grewal e il professor Rajdeep Dasgupta mostrano la competizione tra il tempo necessario al materiale per accumularsi in un protopianeta e il tempo necessario al protopianeta per separarsi nei suoi strati distinti:un nucleo metallico, un guscio di mantello di silicato e un involucro atmosferico in un processo chiamato differenziazione planetaria, è fondamentale nel determinare quali elementi volatili conserva il pianeta roccioso.
Usando l'azoto come proxy per i volatili, i ricercatori hanno mostrato che la maggior parte dell'azoto fuoriesce nell'atmosfera dei protopianeti durante la differenziazione. Questo azoto viene successivamente perso nello spazio quando il protopianeta si raffredda o si scontra con altri protopianeti o corpi cosmici durante la fase successiva della sua crescita.
Questo processo esaurisce l'azoto nell'atmosfera e nel mantello dei pianeti rocciosi, ma se il nucleo metallico trattiene abbastanza, potrebbe essere ancora una fonte significativa di azoto durante la formazione di pianeti simili alla Terra.
I geochimici della Rice University hanno analizzato campioni sperimentali di metalli e silicati coesistenti per scoprire come avrebbero interagito chimicamente se posti a pressioni e temperature simili a quelle sperimentate dalla differenziazione dei protopianeti. Usando l'azoto come proxy, teorizzano che il modo in cui un pianeta si riunisce ha implicazioni sul fatto che catturi e mantenga elementi volatili essenziali per la vita. Credito:Tommy LaVergne/Rice University
Il laboratorio ad alta pressione di Dasgupta a Rice ha catturato la differenziazione protoplanetaria in azione per mostrare l'affinità dell'azoto verso i nuclei metallici.
"Abbiamo simulato condizioni di alta pressione-temperatura sottoponendo una miscela di polveri di metalli e silicati contenenti azoto a quasi 30, 000 volte la pressione atmosferica e riscaldandoli oltre i loro punti di fusione, "Grewal ha detto. "Piccole macchie metalliche incorporate nei vetri di silicato dei campioni recuperati erano i rispettivi analoghi dei nuclei e dei mantelli protoplanetari".
Utilizzando questi dati sperimentali, i ricercatori hanno modellato le relazioni termodinamiche per mostrare come l'azoto si distribuisce tra l'atmosfera, silicato fuso e nucleo.
"Ci siamo resi conto che il frazionamento dell'azoto tra tutti questi serbatoi è molto sensibile alle dimensioni del corpo, " Grewal ha detto. "Utilizzando questa idea, potremmo calcolare come l'azoto si sarebbe separato nel tempo tra i diversi serbatoi di corpi protoplanetari per costruire finalmente un pianeta abitabile come la Terra".
La loro teoria suggerisce che le materie prime per la Terra sono cresciute rapidamente fino a raggiungere embrioni planetari delle dimensioni della luna e di Marte prima che completassero il processo di differenziazione nella familiare disposizione di vapore di metallo-silicato-gas.
Damanveer Grewal, studente laureato alla Rice University, sinistra, e il geochimico Rajdeep Dasgupta discutono dei loro esperimenti in laboratorio, dove comprimono complesse miscele di elementi per simulare le condizioni in profondità nei protopianeti e nei pianeti. In un nuovo studio, hanno determinato che il modo in cui un pianeta si riunisce ha implicazioni sul fatto che cattura e trattiene gli elementi volatili, compreso azoto, carbonio e acqua, essenziale alla vita. Credito:Tommy LaVergne/Rice University
Generalmente, stimano gli embrioni formati entro 1-2 milioni di anni dall'inizio del sistema solare, molto prima del tempo impiegato per differenziarsi completamente. Se il tasso di differenziazione fosse più veloce del tasso di accrescimento per questi embrioni, i pianeti rocciosi che si sono formati da loro non avrebbero potuto accumulare abbastanza azoto, e probabilmente altri volatili, fondamentale per lo sviluppo di condizioni che supportano la vita.
"I nostri calcoli mostrano che la formazione di un pianeta delle dimensioni della Terra tramite embrioni planetari che sono cresciuti molto rapidamente prima di subire la differenziazione del metallo-silicato stabilisce un percorso unico per soddisfare il bilancio di azoto della Terra, " disse Dasgupta, il principale investigatore di CLEVER Planets, un progetto collaborativo finanziato dalla NASA che esplora come gli elementi essenziali per la vita potrebbero essersi uniti sui pianeti rocciosi del nostro sistema solare o su distanti, esopianeti rocciosi.
"Questo lavoro mostra che c'è un'affinità molto maggiore dell'azoto verso il liquido metallico che forma il nucleo di quanto si pensasse in precedenza, " Egli ha detto.
Lo studio segue lavori precedenti, uno che mostra come l'impatto di un corpo che forma la luna potrebbe aver dato alla Terra gran parte del suo contenuto volatile, e un altro che suggerisce che il pianeta abbia guadagnato più azoto da fonti locali nel sistema solare di quanto si credesse un tempo.
In quest'ultimo studio, Grewal ha detto, "Abbiamo dimostrato che i protopianeti che crescono nelle regioni interne ed esterne del sistema solare accumulano azoto, e la Terra ha ricavato il suo azoto dall'accrescimento di protopianeti da entrambe queste regioni. Però, non si sapeva come fosse stato stabilito il bilancio dell'azoto della Terra."
"Stiamo facendo una grande affermazione che andrà oltre il semplice argomento dell'origine degli elementi volatili e dell'azoto, e avrà un impatto su una sezione trasversale della comunità scientifica interessata alla formazione e alla crescita del pianeta, " disse Dasgupta.
