Zeldzame metalen op Aarde en Mars ontstaan bij gigantische inslagen

Nieuw onderzoek heeft uitgewezen dat een gigantische inslag vier miljard jaar geleden op Mars de ongebruikelijke hoeveelheid ijzer-minnende elementen op de planeet zou verklaren.

Planeten ontstaan als kleine stofdeeltjes die samenklonteren tot grotere deeltjes die uiteindelijk leiden tot objecten die we planetesimalen noemen. Deze planetesimalen blijven met elkaar samensmelten en worden uiteindelijk of het zonnestelsel uitgestoten of opgeslokt door de Zon of er ontstaan een planeet uit. Dit is echter niet het einde van het verhaal want ook planeten blijven kort na hun ontstaan nog steeds nieuw materiaal aantrekken. Bij dit proces regenen de restanten van de planeetvormingsprocessen neer op de jonge planeten.

Onderzoekers hebben nu een gigantische inslag die tijdens dit laatste proces plaatsvond op Mars nader onderzocht en ontdekt dat deze inslag de grote hoeveelheid zeldzame metallische elementen in de mantel van de planeet kan verklaren. De mantel is de laag onder de korst van de planeet.

Als protoplaneten genoeg materiaal aantrekken dan beginnen metalen zoals ijzer en nikkel te scheiden en naar de kern te zinken. Dit verklaart waarom de kern van de Aarde hoofdzakelijk uit ijzer bestaat en het is te verwachten dat elementen die gemakkelijk binden met ijzer dus ook in grote hoeveelheden voorkomen in de kern. Voorbeelden van zulke “ijzer-minnende” elementen, die we siderofielen noemen, zijn goud, platina, iridium. Maar net als op Mars komen er in de mantel van de Aarde meer siderofielen voor dan men zou verwachten.

Experimenten uitgevoerd onder hoge druk laten zien dat deze metalen eigenlijk niet in de mantel zouden moeten voorkomen. Deze elementen houden er niet van om opgelost te worden in silicaat maar ze willen eigenlijk door de mantel naar de kern zinken. Het feit dat we ze hebben betekent volgens de onderzoekers dat ze pas op Aarde terecht zijn gekomen nadat de kern en de mantel van elkaar waren gescheiden want toen werd het veel moeilijker voor deze elementen om tot de kern door te dringen.

Een studie uit 2016 toonde al aan dat een gigantische inslag de beste verklaring is voor het relatief hoge gehalte aan siderofielen in de mantel van de Aarde.

De hoeveelheid siderofiele elementen die tijdens de laatste fase van de accretie van planeten plaats vindt moet evenredig zijn aan de gravitationele dwarsdoorsnede van de planeet. Deze dwarsdoorsnede kan gezien worden als de kruisdraden die een planetesimaal of ander groot object ziet als dat de planeet nadert. Deze gravitationele dwarsdoorsnede strekt zich uit voorbij de planeet. De zwaartekracht van een planeet zal een object dat richting die planeet komt aantrekken zelfs als dat object niet op ramkoers ligt. Dit wordt gravitationele focussering genoemd.

De studie uit 2016 toonde aan dat de Aarde meer siderofielen in zijn mantel heeft dan er aanwezig zouden moeten zijn volgens de theorie van de gravitationele dwarsdoorsnede. De onderzoekers verklaarden dit door een object met de grootte van een flinke maan op Aarde in te laten slaan (tijdens deze inslag zou onze Maan zijn ontstaan) waarbij de mantel zou zijn verrijkt met genoeg siderofielen om het huidige gehalte te kunnen verklaren.

Een vroege gigantische inslag

Analyse van meteorieten waarvan we weten dat ze van Mars afkomstig zijn laten zien dat de planeet tijdens de laatste accretiefase ongeveer 0.8% in massa is toegenomen. In het meest recente onderzoek tonen de onderzoekers aan dat er voor een massatoename van 0.8% tijdens een enkele inslag een object met een diameter van minstens 1200 kilometer nodig is geweest.

Ze stellen verder dat een dergelijke inslag tussen 4,5 en 4,4 miljard jaar geleden heeft plaatsgevonden. Onderzoek aan zirconiumkristallen die in oude marsmeteorieten zijn gevonden kunnen gebruikt worden om de datum van het ontstaan van de korst van Mars te dateren op ouder dan 4,4 miljard jaar geleden. Een gigantische inslag zou aldus op grote schaal het smelten van de korst hebben veroorzaakt en moet dus hebben plaatsgevonden voordat de huidige korst is ontstaan. Als de inslag 4,5 miljard jaar geleden heeft plaatsgevonden dan zouden de siderofielen zijn verdwenen tijdens het ontstaan van de kern.

Begrijpen hoe de laatste fase van de accretie heeft plaatsgevonden is niet alleen belangrijk voor het verklaren van de hoeveelheid siderofielen maar het is ook belangrijk om een bovengrens te bepalen van de leeftijd van de biosfeer van de Aarde. Tijdens iedere inslag smelt lokaal een klein gedeelte van de korst van de Aarde. Als de accretie erg intensief is dan smelt bijna de hele korst van de Aarde. Met het afnemen van de accretie neemt ook de hoeveelheid gesmolten korst af. De onderzoekers stellen dat een biosfeer pas kan ontstaan als er op enig moment minder dan 50% van de korst is gesmolten.

Het oppervlak van Mars vertoont ook een ongebruikelijke tweedeling die verklaart kan worden door een gigantische inslag. Het zuidelijk halfrond bevat heel veel oud bekraterd terrein terwijl het noordelijk halfrond jonger en gladder is en zijn vorm heeft gekregen middels vulkanisme op grote schaal. Tijdens een grote inslag zouden ook Phobos en Deimos, de twee maantjes van Mars kunnen zijn ontstaan alhoewel daar nog discussie over is want het zouden ook ingevangen asteroïden kunnen zijn.

Wat zijn siderofiele elementen?

Siderofiele elementen zijn elementen die niet goed binden met zuurstof of zwavel maar wel goed oplost in gesmolten ijzer. Dergelijke ijzerminnende elementen zijn veel te vinden in ijzermeteorieten, M-type asteroïden en in de kern van de Aarde. Siderofiele elementen zijn goud (Au), koolstof (C), kobalt (Co), ijzer (Fe), germanium (Ge), iridium (Ir), molybdeen (Mo), nikkel (Ni), osmium (Os), fosfor (P), palladium (Pd), platina (Pt), renium (Re), rhodium (Rh), ruthenium (Ru) en tin (Sn).

het meest recente onderzoek is gepubliceerd in Geophysical Research Letters

Eerste publicatie: 4 mei 2018
Bron: space.com