Un team internazionale guidato dal MIT ha rilevato un'anomalia dell'isotopo del potassio nelle rocce profonde sopravvissute all'impatto catastrofico che ha formato la Luna, rivelando per la prima volta la composizione chimica del pianeta primordiale.
Nelle profondità della Terra, nascosto in alcune delle rocce più antiche e profonde del pianeta, giace un segreto vecchio di 4,5 miliardi di anni. Gli scienziati del Massachusetts Institute of Technology (MIT), in collaborazione con istituzioni negli Stati Uniti, in Cina e in Svizzera, hanno finalmente svelato questo enigma: l'identificazione chimica di materiali incontaminati provenienti dalla proto -Terra , l'embrione planetario che esisteva prima che una colossale collisione lo trasformasse per sempre e desse origine al mondo in cui viviamo oggi. I risultati di questa ricerca, che riscriverà i capitoli iniziali della formazione planetaria, sono pubblicati sulla rivista Nature Geosciences.
Durante l'infanzia del Sistema Solare, un disco turbolento di gas e polvere cosmici iniziò a fondersi, formando i primi meteoriti che, attraverso successive fusioni e accrescimenti, formarono i nuclei dei pianeti, inclusa la proto-Terra. Questo pianeta primitivo era probabilmente un mondo infernale , roccioso e ricoperto da un oceano di magma. Il suo destino cambiò irrevocabilmente meno di 100 milioni di anni dopo la sua gestazione, quando un oggetto delle dimensioni di Marte, soprannominato Theia , lo colpì. Questo evento, noto come il "Grande Impatto", vaporizzò, fuse e mescolò completamente le viscere del giovane pianeta, alterandone la chimica interna così profondamente che si ipotizzò che ogni traccia del materiale originale fosse stata cancellata, diluita nel risultante crogiolo globale.
La ricerca persistente del team del MIT dimostra ora che questa ipotesi era errata. I ricercatori hanno isolato una firma chimica distintiva – un'anomalia nel rapporto degli isotopi di potassio – presente in antiche rocce della Groenlandia, del Canada e nella lava del mantello profondo espulsa dai vulcani delle Hawaii. Questo squilibrio isotopico, una lieve ma misurabile carenza dell'isotopo potassio-40, è estraneo alla composizione della stragrande maggioranza dei materiali che compongono la Terra oggi. Il team ha concluso, dopo approfondite modellazioni e simulazioni, che questo segnale anomalo non poteva essere generato da processi geologici successivi o da un noto bombardamento di meteoriti; la sua origine deve essere più antica.
"Questa è forse la prima prova diretta che i materiali pre-Terra si sono conservati ", afferma la professoressa Nicole Nie, professoressa associata di Scienze della Terra e Planetarie presso il MIT e autrice senior dello studio. " Stiamo osservando un frammento dell'antica Terra, risalente addirittura a prima del massiccio impatto", afferma Nie. "Questo è notevole perché ci aspettavamo che questa firma primordiale fosse stata lentamente cancellata nel corso dell'evoluzione del pianeta " .
La scoperta si basa su un precedente lavoro dello stesso gruppo, pubblicato nel 2023, in cui è stata analizzata la composizione isotopica del potassio in un'ampia gamma di meteoriti. Gli isotopi sono varianti dello stesso elemento che hanno lo stesso numero di protoni ma un diverso numero di neutroni. Nel caso del potassio, tre isotopi sono presenti in natura: potassio-39, potassio-40 e potassio-41. In quasi tutti i campioni terrestri, potassio-39 e potassio-41 sono nettamente dominanti, mentre il potassio-40 è presente in proporzioni minuscole.
Nelle loro precedenti ricerche, Nie e i suoi colleghi avevano scoperto che alcuni meteoriti presentavano squilibri in questi rapporti, anomalie che li distinguevano dalla composizione standard della Terra. Questo rendeva il potassio un potenziale tracciante chimico, uno strumento per tracciare i mattoni originali del nostro pianeta. Se una roccia terrestre mostrasse un'anomalia simile, ciò costituirebbe una forte indicazione che il suo materiale fosse sfuggito all'omogeneizzazione planetaria .
Guidato da questa ipotesi, il team si è messo alla ricerca di questa firma all'interno della Terra stessa. Ha analizzato rocce provenienti da alcune delle più antiche formazioni conservate nella crosta terrestre, in Groenlandia e Canada, e anche campioni di lava hawaiana, che fungono da capsule del tempo quando emergono dalle profondità del mantello, lo strato roccioso spesso 2.900 chilometri che si estende sotto la crosta.
La procedura analitica fu meticolosa: disciolsero i campioni in polvere in acido, isolarono il potassio dagli altri elementi e utilizzarono uno spettrometro di massa ad alta precisione per misurare il rapporto di ciascuno dei tre isotopi. I risultati furono conclusivi: le rocce più antiche e le lave profonde mostravano una carenza costante di potassio-40. Si trattava di un segnale sottile, paragonabile al rilevamento di un singolo granello di sabbia di colore leggermente diverso in un secchio pieno, ma reale e ripetibile.
La presenza di questa anomalia indicava che questi materiali erano, secondo le parole di Nie, costruiti in modo diverso rispetto al resto del pianeta. La domanda cruciale era se potessero effettivamente essere relitti della Proto-Terra. Per rispondere a questa domanda, il team ha eseguito complesse simulazioni al computer. Hanno ipotizzato che la Proto-Terra fosse originariamente composta da materiali con la stessa carenza di potassio-40 . Hanno quindi modellato come il grande impatto e i successivi impatti meteoritici, le cui composizioni sono note grazie alla collezione globale di meteoriti, avrebbero alterato chimicamente questo materiale primordiale, arricchendolo progressivamente di potassio-40 fino a raggiungere la composizione isotopica oggi predominante.
I modelli hanno confermato l'ipotesi. Le simulazioni hanno mostrato che la miscelazione e l'elaborazione geologica nel corso di eoni avrebbero trasformato il materiale carente di potassio-40 nella composizione standard moderna. I resti rinvenuti in Groenlandia, Canada e Hawaii, tuttavia, erano sfuggiti a questo processo di omogeneizzazione, conservandosi in sacche chimicamente isolate all'interno del mantello terrestre per miliardi di anni .
Un'ulteriore scoperta aggiunge un ulteriore strato di mistero all'origine della Terra . La specifica firma isotopica trovata in queste rocce profonde non corrisponde esattamente a quella di nessun meteorite analizzato finora. Ciò implica che gli specifici elementi costitutivi che hanno formato la proto-Terra – quelli con questa particolare carenza di potassio-40 – non sono ancora stati scoperti o non esistono più come corpi indipendenti nel sistema solare.
Gli scienziati hanno cercato per decenni di comprendere la composizione chimica originaria della Terra combinando le composizioni di diversi gruppi di meteoriti , spiega Nie. Ma il nostro studio dimostra che l'attuale inventario dei meteoriti è incompleto e che c'è ancora molto da scoprire sull'origine ultima del nostro pianeta . La scoperta fornisce il primo sguardo diretto alla composizione della Terra pre-terrestre e ridefinisce la ricerca futura, segnalando che la ricetta completa della Terra attende ancora di essere decifrata nelle più remote regioni del sistema solare o nelle profondità inaccessibili del nostro mondo.
Istituto di tecnologia del Massachusetts
Wang, D., Nie, N.X., Peters, B.J. et al . Evidenza isotopica del potassio-40 di una componente pre-impatto gigante esistente del mantello terrestre . Nat. Geosci. (2025)
