Meteoritenanalyse zeigt, dass die Bausteine ​​der Erde Wasser enthielten

Als unsere Sonne vor 4,56 Milliarden Jahren ein junger Stern war, war das heutige Sonnensystem nur eine Scheibe aus felsigem Staub und Gas. Im Laufe von mehreren Millionen Jahren verschmolzen winzige Staubkiesel wie ein immer größer werdender Schneeball zu kilometergroßen „Planetesimalen“ – den Bausteinen der Erde und der anderen inneren Planeten.

Forscher versuchen seit langem, die antiken Umgebungen zu verstehen, in denen sich diese Planetesimale gebildet haben. Beispielsweise gibt es auf der Erde heute reichlich Wasser, aber war das schon immer so? Mit anderen Worten: Enthielten die Planetesimale, die sich auf unserem Planeten ansammelten, Wasser?

Jetzt kombiniert eine neue Studie Meteoritendaten mit thermodynamischen Modellen und stellt fest, dass sich die frühesten Planetesimale im inneren Sonnensystem in der Gegenwart von Wasser gebildet haben müssen, was aktuelle astrophysikalische Modelle des frühen Sonnensystems in Frage stellt.

Die Forschung wurde im Labor von Paul Asimow, Eleanor und John R. McMillan, Professor für Geologie und Geochemie, durchgeführt erscheint im Tagebuch Naturastronomie.

Forscher verfügen über Proben aus den frühesten Jahren des Sonnensystems in Form von Eisenmeteoriten. Diese Meteoriten sind die Überreste der metallischen Kerne der frühesten Planetesimale in unserem Sonnensystem, die der Akkretion zu einem sich bildenden Planeten entgingen und stattdessen das Sonnensystem umkreisten, bevor sie schließlich auf unseren Planeten fielen.

Die chemische Zusammensetzung solcher Meteoriten kann Aufschluss über die Umgebungen geben, in denen sie entstanden sind, und Antworten auf Fragen geben, etwa ob die Bausteine ​​der Erde weit von unserer Sonne entfernt entstanden sind, wo kühlere Temperaturen die Existenz von Wassereis ermöglichten, oder ob sie stattdessen entstanden sind näher an der Sonne, wo die Hitze jegliches Wasser verdampft hätte und zu trockenen Planetesimalen geführt hätte.

Wenn letzteres zutrifft, wäre die Erde später in ihrer Entwicklung trocken entstanden und hätte ihr Wasser auf andere Weise gewonnen.

Obwohl die Meteoriten kein Wasser enthalten, können Wissenschaftler auf dessen längst verlorenes Vorhandensein schließen, indem sie seine Auswirkungen auf andere chemische Elemente untersuchen.

Wasser besteht aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom. In Gegenwart anderer Elemente überträgt Wasser häufig sein Sauerstoffatom in einem Prozess namens Oxidation. Beispielsweise reagiert Eisenmetall (Fe) mit Wasser (H2O) unter Bildung von Eisenoxid (FeO). Ein ausreichender Wasserüberschuss kann den Prozess weiter vorantreiben und dabei Fe2O3 und FeO(OH) erzeugen, die Bestandteile von Rost.

Der Mars beispielsweise ist mit rostigem Eisenoxid bedeckt, was ein starker Beweis dafür ist, dass es auf dem Roten Planeten einst Wasser gab.

Damanveer Grewal, ein ehemaliger Caltech-Postdoktorand und Erstautor der neuen Studie, ist auf die Verwendung chemischer Signaturen von Eisenmeteoriten spezialisiert, um Informationen über das frühe Sonnensystem zu sammeln.

Obwohl Eisenoxid aus den frühesten Planetesimalen schon lange verschwunden ist, konnte das Team bestimmen, wie viel Eisen oxidiert worden wäre, indem es den metallischen Nickel-, Kobalt- und Eisengehalt dieser Meteoriten untersuchte. Diese drei Elemente sollten im Verhältnis zu anderen Grundmaterialien in etwa gleichen Anteilen vorhanden sein. Wenn also Eisen „fehlt“, bedeutet dies, dass das Eisen oxidiert wurde.

„Eisenmeteoriten wurden von der Planetenentstehungsgemeinschaft etwas vernachlässigt, aber sie stellen reiche Informationsspeicher über die früheste Periode der Geschichte des Sonnensystems dar, wenn man erst einmal herausgefunden hat, wie man die Signale liest“, sagt Asimow. „Der Unterschied zwischen dem, was wir in den Meteoriten des inneren Sonnensystems gemessen haben, und dem, was wir erwartet haben, deutet auf eine etwa 10.000-mal höhere Sauerstoffaktivität hin.“

Die Forscher fanden heraus, dass diese Eisenmeteoriten, von denen angenommen wurde, dass sie aus dem inneren Sonnensystem stammen, etwa die gleiche Menge an fehlendem Eisenmetall aufwiesen wie Meteoriten, die aus dem äußeren Sonnensystem stammten. Damit dies der Fall ist, müssen sich die Planetesimale beider Meteoritengruppen in einem Teil des Sonnensystems gebildet haben, in dem Wasser vorhanden war, was bedeutet, dass die Bausteine ​​der Planeten von Anfang an Wasser anreicherten.

Die Signaturen des Wassers in diesen Planetesimalen stellen viele der aktuellen astrophysikalischen Modelle des Sonnensystems in Frage. Wenn sich Planetesimale an der aktuellen Orbitalposition der Erde gebildet hätten, hätte Wasser nur dann existiert, wenn das innere Sonnensystem viel kühler wäre, als die Modelle derzeit vorhersagen. Alternativ könnten sie sich weiter draußen gebildet haben, wo es kühler war, und nach innen gewandert sein.

„Wenn Wasser in den frühen Bausteinen unseres Planeten vorhanden war, waren wahrscheinlich auch andere wichtige Elemente wie Kohlenstoff und Stickstoff vorhanden“, sagt Grewal. „Die Zutaten für Leben könnten von Anfang an in den Samen von Gesteinsplaneten vorhanden gewesen sein.“

„Die Methode erfasst allerdings nur Wasser, das bei der Oxidation von Eisen verbraucht wurde“, ergänzt Asimow. „Es reagiert nicht empfindlich auf überschüssiges Wasser, das den Ozean bilden könnte. Daher stimmen die Schlussfolgerungen dieser Studie mit Akkretionsmodellen der Erde überein, die eine späte Zugabe von noch wasserreicherem Material erfordern.“

Der Artikel trägt den Titel „Akkretion der frühesten Planetesimale des inneren Sonnensystems jenseits der Wasser-Schneegrenze“. Co-Autoren sind neben Asimow und Grewal die ehemalige Caltech-Postdoktorandin Nicole X. Nie, Bidong Zhang von der UCLA und Andre Izidoro von der Rice University. Grewal ist derzeit Assistenzprofessor an der Arizona State University.