Forskare vid MIT och andra institutioner har upptäckt extremt sällsynta rester av ”proto-Jorden”, som bildades för cirka 4,5 miljarder år sedan, innan en kolossal kollision oåterkalleligt förändrade den primitiva planetens sammansättning och skapade Jorden som vi känner den idag. Deras upptäckter, som idag rapporteras i tidskriften Nature Geosciences, kommer att hjälpa forskare att pussla ihop de ursprungliga ingredienserna som formade den tidiga Jorden och resten av solsystemet.
För miljarder år sedan var det tidiga solsystemet en virvlande skiva av gas och stoft som så småningom klumpade ihop sig och ackumulerades för att bilda de tidigaste meteoriterna, som i sin tur smälte samman och bildade protojorden och dess närliggande planeter.
I denna tidigaste fas var jorden troligen stenig och bubblande av lava. Mindre än 100 miljoner år senare slog en meteorit stor som Mars in i den unga planeten i en unik ”jättekolliision” som fullständigt omskakade och smälte planetens inre, vilket effektivt återställde dess kemiska sammansättning. Man trodde att det ursprungliga materialet som protojorden bestod av hade omvandlats helt.
Men MIT-teamets fynd tyder på något annat. Forskarna har identifierat en kemisk signatur i forntida bergarter som är unik jämfört med de flesta andra material som finns på jorden idag. Signaturen har formen av en subtil obalans i kaliumisotoper som upptäckts i prover av mycket gamla och mycket djupa bergarter. Teamet fastslog att kaliumobalansen inte kunde ha orsakats av tidigare stora kollisioner eller geologiska processer som för närvarande pågår på jorden.
Den mest troliga förklaringen till provens kemiska sammansättning är att de måste vara rester från protojorden som på något sätt förblev oförändrade, även om större delen av den tidiga planeten påverkades och omvandlades.
”Detta är kanske det första direkta beviset på att vi har bevarat material från protojorden”, säger Nicole Nie, Paul M. Cook Career Development Assistant Professor of Earth and Planetary Sciences vid MIT. ”Vi ser en bit av den mycket gamla jorden, till och med före den gigantiska kollisionen. Detta är fantastiskt eftersom vi skulle förvänta oss att denna mycket tidiga signatur långsamt skulle raderas genom jordens utveckling.”
Andra författare till studien är Da Wang från Chengdu University of Technology i Kina, Steven Shirey och Richard Carlson från Carnegie Institution for Science i Washington, Bradley Peters från ETH Zürich i Schweiz och James Day från Scripps Institution of Oceanography i Kalifornien.
En märklig anomali
2023 analyserade Nie och hennes kollegor många av de större meteoriter som har samlats in från platser runt om i världen och studerade dem noggrant. Innan de träffade jorden bildades dessa meteoriter troligen vid olika tidpunkter och platser i solsystemet och representerar därför solsystemets förändrade förhållanden över tid. När forskarna jämförde den kemiska sammansättningen av dessa meteoriter med jorden identifierade de en ”kaliumisotopisk anomali” bland dem.
Isotoper är något olika versioner av ett grundämne som har samma antal protoner men olika antal neutroner. Grundämnet kalium kan förekomma i en av tre naturligt förekommande isotoper, med massnummer (protoner plus neutroner) på 39, 40 respektive 41. Varhelst kalium har hittats på jorden förekommer det i en karakteristisk kombination av isotoper, där kalium-39 och kalium-41 är överväldigande dominerande. Kalium-40 förekommer, men i en försvinnande liten andel i jämförelse.
Nie och hennes kollegor upptäckte att de meteoriter de studerade uppvisade en balans mellan kaliumisotoper som skilde sig från de flesta material på jorden. Denna kaliumanomali tyder på att alla material som uppvisar en liknande anomali sannolikt är äldre än jordens nuvarande sammansättning. Med andra ord skulle varje kaliumobalans vara ett starkt tecken på material från protojorden, innan den gigantiska kollisionen återställde planetens kemiska sammansättning.
”I det arbetet fann vi att olika meteoriter har olika kaliumisotopsignaturer, vilket innebär att kalium kan användas som spårämne för jordens byggstenar”, förklarar Nie.
Korrelationen mellan ε40K och ε100Ru i meteoriter, jorden och protojorden. Källa: Nature Geoscience (2025). DOI: 10.1038/s41561-025-01811-3
”Byggd annorlunda”
I den aktuella studien letade teamet efter tecken på kaliumanomalier, inte i meteoriter, utan inom jorden. Deras prover inkluderar stenar i pulverform från Grönland och Kanada, där några av de äldsta bevarade stenarna finns. De analyserade också lavafyndigheter som samlats in från Hawaii, där vulkaner har fört upp några av jordens tidigaste och djupaste material från manteln (planetens tjockaste lager av sten som skiljer skorpan från kärnan).
”Om denna kaliumsignatur är bevarad, skulle vi vilja leta efter den i djup tid och djupa jordskikt”, säger Nie.
Teamet löste först upp de olika pulverproverna i syra, isolerade sedan noggrant allt kalium från resten av provet och använde en speciell masspektrometer för att mäta förhållandet mellan kaliums tre isotoper. Anmärkningsvärt nog identifierade de i proverna en isotopsignatur som skilde sig från den som hittats i de flesta material på jorden.
Mer specifikt identifierade de en brist på kalium-40-isotopen. I de flesta material på jorden är denna isotop redan en obetydlig del jämfört med kaliums två andra isotoper. Men forskarna kunde urskilja att deras prover innehöll en ännu mindre andel kalium-40. Att upptäcka denna småskaliga brist är som att hitta ett enda brunt sandkorn i en hink istället för en skopa full med gul sand.
Teamet fann att proverna verkligen uppvisade ett underskott av kalium-40, vilket visar att materialen ”var byggda på ett annat sätt” jämfört med det mesta vi ser på jorden idag, säger Nie.
Men kunde proverna vara sällsynta rester av protojorden? För att svara på detta antog forskarna att så kunde vara fallet. De resonerade att om protojorden ursprungligen bestod av sådana kalium-40-fattiga material, skulle det mesta av detta material ha genomgått kemiska förändringar – från den gigantiska kollisionen och efterföljande mindre meteoritnedslag – som i slutändan resulterade i de material med mer kalium-40 som vi ser idag.
Teamet använde kompositionsdata från alla kända meteoriter och genomförde simuleringar av hur provernas kalium-40-underskott skulle förändras efter nedslag av dessa meteoriter och efter det gigantiska nedslaget. De simulerade också geologiska processer som jorden genomgått över tid, såsom uppvärmning och blandning av manteln. I slutändan resulterade deras simuleringar i en komposition med en något högre andel kalium-40 jämfört med proverna från Kanada, Grönland och Hawaii. Ännu viktigare är att de simulerade sammansättningarna matchade de flesta moderna material.
Arbetet tyder på att material med kalium-40-underskott sannolikt är rester av ursprungligt material från protojorden.
Märkligt nog matchar provernas signatur inte exakt någon annan meteorit i geologernas samlingar. Medan meteoriterna i teamets tidigare arbete visade kaliumanomalier, är de inte exakt samma underskott som ses i protojordproverna. Detta innebär att de meteoriter och material som ursprungligen bildade protojorden ännu inte har upptäckts.
”Forskare har försökt förstå jordens ursprungliga kemiska sammansättning genom att kombinera sammansättningen av olika grupper av meteoriter”, säger Nie. ”Men vår studie visar att den nuvarande meteoritinventeringen inte är fullständig och att det finns mycket mer att lära sig om var vår planet kommer ifrån.”
Mer information: Da Wang et al, Potassium-40 isotopic evidence for an extant pre-giant-impact component of Earth’s mantle, Nature Geoscience (2025). DOI: 10.1038/s41561-025-01811-3
Denna artikel återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som rapporterar om nyheter om forskning, innovation och undervisning vid MIT.
