Uno sguardo alla chimica della proto-Terra: scoperti materiali risalenti a prima della gigantesca collisione da cui nacque la Luna 4,5 miliardi di anni fa

I geologi hanno scoperto la prima prova dell’esistenza della proto-Terra. 4,5 miliardi di anni fa, quando aveva appena poche decine di milioni di anni, il pianeta venne sconvolto da un colossale impatto. La collisione con Theia, un oggetto delle dimensioni di Marte, alterò irreversibilmente la composizione della Terra, consegnandoci la chimica che conosciamo oggi.

Gli scienziati erano convinti che non esistessero più tracce dell’antica chimica della Terra. Gli isotopi del potassio, però, possono rivelare molto della formazione di rocce terrestri e asteroidi. Così, seguendo l’impronta del potassio-40, i ricercatori hanno scoperto che delle rocce molto antiche e alcuni depositi di lava provenienti da Groenlandia, Sudafrica, Hawaii e La Reunion risalgono a un’epoca in cui la Terra era ancora al suo stato primordiale. Nonostante impatti meteorici e un’intensa attività geologica, il pianeta ha conservato tracce di una chimica risalente a 4,5 miliardi di anni fa.

Analizzare la chimica per comprendere l’origine della Terra

La Terra, appena nata, era rocciosa e ribollente di lava. Poi, circa 4,5 miliardi di anni fa, un meteorite delle dimensioni di Marte, Theia, si schiantò sul giovane pianeta: l’“impatto gigante” tra questi due corpi ancora allo stato fuso fu così violento che si pensa possa aver dato origine alla Luna. Secondo una teoria molto recente, parte del materiale di Theia sarebbe addirittura finito a formare il nucleo della Terra, cosa che potrebbe spiegare le anomalie del mantello: quelle due grandi regioni dense e “lente” scoperte al confine tra il nucleo e il mantello terrestre sotto l’Africa e il Pacifico, nel cuore della Terra, potrebbero essere costituiti da frammenti di Theia.

Da tempo gli scienziati sono alla ricerca di tracce chimiche che permettano di comprendere meglio la formazione del nostro pianeta, e della Luna. Le cercano nei meteoriti, nelle rocce antiche e nei materiali portati in superficie dalle eruzioni vulcaniche, pur sapendo che probabilmente il materiale originale che formava la proto-Terra è stato completamente trasformato. L’impatto con il protopianeta, infatti, sconvolse completamente l’interno della giovane Terra, rimescolando i materiali e creando una chimica completamente nuova.

Un team di ricerca internazionale guidato dal MIT e dalla Chengdu University of Technology, però, potrebbe aver scoperto una firma chimica della proto-Terra – un frammento di materiale conservato per miliardi di anni.

“Questa è forse la prima prova diretta che abbiamo preservato i materiali della proto-Terra: vediamo un frammento della Terra molto antica, addirittura prima del gigantesco impatto. È sorprendente perché ci aspettavamo che questa primissima traccia fosse stata cancellata durante l’evoluzione della Terra”,

spiega Nicole Nie, Professoressa Assistente di Scienze della Terra e Planetarie al Massachusetts Institute of Technology.

Il potassio nella firma chimica della Terra primordiale

La firma chimica di questo materiale risalente a miliardi di anni fa è costituita da un sottile squilibrio negli isotopi del potassio che secondo gli scienziati non può essere stato prodotto da precedenti impatti o da processi geologici in corso sul pianeta.

L’anomalia del potassio è stata scoperta nel 2023 dal team della Professoressa Nie analizzando diversi meteoriti raccolti in tutto il mondo e confrontando la loro composizione chimica con quella della Terra. I meteoriti, frammenti del sistema solare primordiale catturati dalla Terra, si sono formati in regioni e in epoche molto diverse, perciò sono una buona rappresentazione delle mutevoli condizioni del sistema solare nel tempo.

Il potassio può esistere in uno dei suoi tre isotopi naturali, che hanno numero di massa 30, 40 e 41. Il potassio rinvenuto sulla Terra, spiegano i ricercatori, esiste in una combinazione caratteristica di isotopi, con il potassio-39 e il potassio-41 che predominano in modo schiacciante e il potassio-40 presente in quantità molto minore.

Nei meteoriti analizzati, però, l’equilibrio degli isotopi del potassio appariva diverso da quello tipico della Terra. Questa anomalia, proseguono i ricercatori, suggerisce un’origine precedente all’attuale composizione chimica della Terra: in sostanza, un qualsiasi squilibrio del potassio può essere un forte indizio dell’origine pre-impatto del materiale. Come spiega Nie,

“In quello studio abbiamo scoperto che meteoriti diversi presentano firme isotopiche di potassio diverse, e questo significa che il potassio può essere utilizzato come tracciante dei mattoni costitutivi della Terra”.

Così, nella nuova ricerca, il team ha cercato segni di anomalie di potassio non più nei meteoriti, ma nel cuore della Terra.

Il potassio-40 e l’origine del pianeta che noi abitiamo

Il team ha analizzato campioni di rocce provenienti dal Canada e dalla Groenlandia, dove si trovano alcuni dei materiali più antichi conservati, e alcuni depositi di lava raccolti alle Hawaii, dove i vulcani hanno portato in superficie materiali provenienti dal mantello della Terra:

“Se questa firma del potassio si fosse conservata, vorremmo cercarla nelle profondità della Terra e molto indietro nel tempo”, 

spiega Nie.

Dopo aver sciolto nell’acido i vari campioni di roccia in polvere, i ricercatori hanno isolato il potassio e usato uno speciale spettrometro di massa per misurare il rapporto tra ciascuno dei tre isotopi del potassio. E, con grande sorpresa, hanno scoperto nei campioni una firma isotopica diversa da quella individuata nella maggior parte dei materiali terrestri.

In particolare, questi campioni contengono una quantità ancora inferiore dell’isotopo potassio-40. Sono cioè “costruiti in maniera diversa” dai materiali che conosciamo. Ma come capire se si tratta di resti della proto-Terra? Per rispondere a questa domanda, i ricercatori hanno ipotizzato che la proto-Terra fosse composta da materiali carenti di potassio-40, e che questi si siano trasformati in materiali con più potassio-40 a seguito dei diversi impatti meteorici che hanno cambiato la chimica del pianeta.

Il team ha utilizzato i dati compositivi di ogni meteorite conosciuto e simulato come sarebbe cambiato il deficit di potassio-40 nei campioni a seguito dell’impatto di questi meteoriti e dell’impatto gigante, oltre che durante processi geologici come il rimescolamento del mantello.

Alla fine, le loro simulazioni hanno prodotto una composizione con una frazione leggermente superiore di potassio-40 rispetto ai campioni provenienti da Canada, Groenlandia e Hawaii. Ancora più importante, le composizioni simulate corrispondevano a quelle della maggior parte dei materiali moderni. Il deficit di potassio-40 ci indica così la strada per ricostruire la storia più antica del nostro pianeta.

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