Kalcijevi izotopi otkrivaju povijest Sunčeva sustava

Mjerenjem omjera dvaju kalcijevih izotopa može se saznati kako su i kada nastali planeti. I ono najvažnije: odakle je došlo tijelo koje je u sudaru sa Zemljom stvorilo Mjesec.

Nenad Raos subota, 23. lipnja 2018. u 06:00

Izotopi su atomi s istim brojem protona, a različitim brojem neutrona u jezgri, uči se u školi. Oni dakako pripadaju istom kemijskom elementu, što im i ime kazuje, jer izotop znači „na istom mjestu“ (grč. isos - isto, topos - mjesto) – svi se izotopi istog elementa nalaze na istom mjestu  („kućici“) u periodnom sustavu. Kemijska su im svojstva ista, jer – jasno je – ako imaju isti broj protona moraju imati isti broj elektrona, pa imaju i istu elektronsku konfiguraciju. A kako sva kemijska svojstva elementa ovise o njegovoj elektronskoj konfiguraciji… Logično, zar ne?

Logično, ali ne i sasvim točno. Jer izotopi se, istina, malo, jako malo razlikuju, no ipak se razlikuju. To postaje svakome jasno ako pogleda tablicu s usporednim svojstvima obične (H2O) i teške vode (D2O). Zato što u ovoj drugoj, teškoj vodi atom vodika ima u jezgri uz proton još i neutron (pa je stoga dvaput teži), ledište joj je 3,82 oC, a vrelište 1,42 oC više od ledišta i vrelišta obične, lake vode.  U teškoj se vodi teže otapaju soli, a i slabije je  disocirana na ione. Kako ima, već smo rekli, više vrelište, ona zaostaje u biljci kada voda isparava s njezina lista, pa se tako po sadržaju teškog vodika, deuterija (2H ili D) može vidjeti potječe li voda u vinu iz vinove loze ili iz bunara, intervencijom vinara, razumije se.

No pustimo sad vodu, vino, vino u vodi i vodu u vinu. Istraživanje izotopnog sastava stijena mnogo govori o povijesti Zemlje, no nedavno su izotopi rekli svoje i o povijesti Sunčeva sustava. Riječ je naime o članku „Isotopic evolution of the protoplanetary disk and the building blocks of Earth and the Moon“ (Izotopna evolucija protoplanetarnog diska i građevnih  jedinica Zemlje i Mjeseca) što je nedavno, u ožujku ove godine, objavljen u uglednom znanstvenom časopisu Nature. Što tamo piše?

Temelj svega je osvjedočenje da omjer dvaju  kalcijevih izotopa, kalcija-48 (48Ca) i kalcija-44 (44Ca) varira u tijelima Sunčeva sustava. Lakši izotop, 44Ca, preteže nad težim, 48Ca: prvoga ima 2,09, a drugoga 0,19 posto (najviše ima 40Ca – 96,94 posto). Tako je to na Zemlji. A u svemiru?

U svemiru je isto, no ipak ima manje težeg izotopa nego na Zemlji. Kako malo? Jako malo jer je omjer (μ48Ca) između dva izotopa 48Ca/44Ca bio tek 150 ppm (0,015 %) manji nego na Zemlji. Što se dogodilo?

Formiranje planeta iz protoplanetarnog diska trajalo je samo pet milijuna godina, jedan časak u povijesti Sunčeva sustava. No ono što je u našoj priči najvažnije je da su najprije nastala dva takva diska, unutrašnji i vanjski.  Diskovi su se razlikovali po izotopnom sastavu. Unutrašnji je imao manje težeg kalcija (μ48Ca = -150 ppm) od vanjskoga (μ48Ca = 200 ppm). Svemirska tijela su se prvo počela formirati u unutrašnjem disku, a onda je materijal počeo pristizati iz vanjskog diska i, razumije se, obogaćivati svemirska tijela težim izotopom. To proizlazi iz analize izotopnog sastava meteorita (ugljičnih hondrita), a usto i jednog asteroida, Veste, te stijena Zemlje, Mjeseca i Marsa (do ovih su posljednjih znanstvenici došli zahvaljujući meteoritima sa Crvenog planeta). I kada se sve uzme u obzir dolazi se do malo neobične povijesti našega planetarnog sustava.

Prvo što vidimo je da su u njemu postojala dva asteroida kojih više nema.  Od prvoga potječe klasa meteorita koji se zovu ureiliti. Taj je asteorid  (ureilite parent body) imao masu oko 1018 kg, milijun puta manju od mase Zemlje, i prvi se formirao. Jedva da je prošlo 300 tisuća godina, a nastala je Vesta te još jedan asteroid koji danas više ne postoji. Taj je uništeni asteroid (angrite parent body) imao masu kao i Vesta (2,58 · 1020 kg, 530 km promjera), dakle nekoliko stotina puta veću od tijela od kojeg potječu ureiliti. Tek dva i pol milijuna godina nakon toga dolazi do formiranja Marsa, a trebalo je proteći još 200 tisuća godina da bio oko Sunca počela počela kružiti i Zemlja. Sve se to može iščitati iz izotopnog sastava: viša vrijednost  μ48Ca znači i kasnije nastajanje. (Autori su izveli jednadžbu, linearnu regresiju, koja lijepo pokazuje tu ovisnost, no ja je neću ovdje navoditi.)

No jedno pitanje ostaje: kako je nastao Mjesec? Danas se znanstvenici slažu da je prirodni satelit našega planeta stvoren u kataklizmičkom događaju kada se Zemlja prije 4,5 mlijarde godina, oko 50 milijuna godina nakon svoga formiranja, sudarila s tijelom veličine Marsa. Ta je događaj, čini se, bio presudan za postanak života, jer je uništio prvotnu Zemljinu atmosferu (čiji su glavni sastojci bili vodik i metan, kao na Jupiteru) zamijenivši je s atmosferom bogatom ugljikovim dioksidom i monoksidom, plinovima koji su izlazili iz dubina nemirnog planeta. Što znamo o tom tijelu?

Analiza omjera dvaju kalcijevih izotopa otkriva zanimljivu i neočekivanu činjenicu da se zemaljske i mjesečeve stijene ne razlikuju po izotopskom sastavu kalcija. To bi u svijetlu svega do sada rečenoga značilo kako su se Zemlja i planet koji je u nju udario formirali u isto vrijeme u istom dijelu Sunčeva sustava. To dakle nije bio nekakav veliki asteroid iza Marsove putanje kakav nam i danas prijeti, nego planet nalik na Zemlju koji je s njom dijelio istu no nestabilnu putanju. Ta mi teorija vodi misao do pitagorejca Filolaja iz Tarencija. On je naime tvrdio da sva nebeska tijela kruže oko „središnje vatre“ koju ne možemo vidjeti (premda daje svjetlost svemu, pa i Suncu) jer se između nas i nje nalazi tamno tijelo, protuzemlja, koja nam je stalno zaklanja. Možda je i planet od kojeg je nastao Mjesec bio „protuzemlja“, no druge vrste, dakako.

Nenad Raos, rođen u Zagrebu 1951. godine, je kemičar, umirovljeni znanstveni savjetnik u trajnome zvanju. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti: napisao je na stotine znanstveno-popularnih članaka, sedam je godina bio glavni urednik Prirode, a sada je urednik rubrike „Kemija u nastavi“ u časopisu Kemija u industriji. Autor je sedam izložbi u Tehničkom muzeju Nikola Tesla u Zagrebu te 13 znanstveno-popularnih knjiga, uključujući i posljednju knjigu, s temom postanka života na Zemlji The Cookbook of Life – New Theories on the Origin of Life.