Почему в Солнечной системе существуют разные «изотопные вкусы» железа?

Новое исследование Стивена Элардо и Анат Шахар из Института Карнеги показывает, что взаимодействия между железом и никелем в условиях экстремальных давлений и температур, аналогичных недрам планет, могут помочь учёным понять период молодости нашей Солнечной системы, когда формировались планеты и создавались их ядра. Результаты опубликованы в журнале Nature Geoscience.

Земля и другие каменистые планеты сформировались в процессе аккреции вещества вокруг молодого Солнца. В ранние годы Земли её ядро образовалось в ходе дифференциации — когда более плотные материалы, такие как железо, погружались к центру. Это сформировало слоистый состав планеты с железным ядром и силикатной верхней мантией и корой. Учёные не могут взять пробы ядер планет, но могут изучать химию железа, чтобы понять различия между дифференциацией Земли и тем, как этот процесс, вероятно, протекал на других планетах и астероидах.

Ключом к исследованию периода дифференциации Земли является изучение вариаций изотопов железа в образцах древних горных пород и минералов с Земли, Луны и других планетных тел. Одной из нерешённых загадок были значительные различия в соотношениях изотопов железа между образцами затвердевшей лавы из верхней мантии Земли и образцами из примитивных метеоритов, астероидов, Луны и Марса.

Элардо и Шахар смогли воспроизвести в лаборатории условия, характерные для глубин Земли и других планет. Они обнаружили, что ключом к разгадке является никель. В условиях формирования ядер Луны, Марса и астероида Веста предпочтительные взаимодействия с никелем удерживают более высокие концентрации лёгких изотопов железа в мантии. Однако при более высоких температурах и давлениях, ожидаемых во время формирования ядра Земли, этот «никелевый эффект» исчезает, что помогает объяснить различия между лавами Земли и других тел.

«Нам ещё многое предстоит узнать о геохимической эволюции планет, — сказал Элардо. — Но лабораторные эксперименты позволяют нам проникнуть на глубины, которые мы не можем достичь, и понять, как формировались и менялись со временем недра планет».