Los procesos redox impulsados por impactos gigantes en la atmósfera y el océano de magma pueden haber desempeñado un papel crucial durante la evolución de la Tierra. Sin embargo, la ausencia de registros rupestres de esa época dificulta la comprensión de estos procesos.
En un informe publicado en Science Advances, Jinhuyuk Choi y un equipo de investigación de científicos planetarios en Seúl, Alemania y Corea, presentaron resultados experimentales que pueden simular reacciones gigantes impulsadas por impactos entre hierro y volátiles, utilizando láseres de electrones libres de rayos X.
Los científicos utilizaron la bomba láser de electrones libres de rayos X para oxidar el hierro a wüstita y reducir los volátiles a hidrógeno y monóxido de carbono. La oxidación del hierro procedió a formar hidruros y sideritas para implicar un límite redox. Los hallazgos arrojan luz sobre el proceso de creación de una atmósfera reducida que subyace a la aparición de moléculas orgánicas prebióticas en la Tierra primitiva.
Evolución de la Tierra y origen de la vida
El primer impacto gigante que condujo a la formación de la Luna hace más de 4.500 millones de años fue un determinante catastrófico en la evolución de la Tierra. La mezcla química global y el proceso redox que se produjo en la atmósfera de vapor y el océano de magma debido a este efecto de impacto gigante condujo a la desgasificación y la formación provisional en la atmósfera reducida; un prerrequisito para el origen de la vida.
Si bien una variedad de estudios han propuesto escenarios plausibles que subyacen a los procesos redox del manto y la atmósfera primitivos de la Tierra, los investigadores han atribuido la formación de especies orgánicas prebióticas a la baja fugacidad de oxígeno del planeta. El manto de la Tierra se oxidó hasta el nivel actual desde la era Arcaica para contener agua, dióxido de carbono y nitrógeno. Para realizar simulaciones numéricas que reproduzcan las condiciones primitivas de la Tierra, los investigadores necesitaron desarrollar métodos experimentales apropiados para validar las reacciones inducidas por el impacto gigante.
El impacto de la formación de la luna puede haber vaporizado la masa de silicato de la Tierra para formar una atmósfera de vapor y haber expandido el océano de magma para provocar una mezcla global entre los materiales de la protoTierra y el impactador diferenciado. Los científicos planetarios postulan que el impacto que formó la luna habría inducido vigorosas reacciones químicas entre los compuestos diferenciados del impactador y la protoTierra, lo que habría llevado a la vida temprana.
Láseres de electrones libres de rayos X como sonda estructural
Dado que los láseres de electrones libres de rayos X son la fuente de luz artificial más brillante en el régimen energético de los rayos X producidos a partir de imanes onduladores. El equipo incorporó estructuras pulsadas ultracortas similares a láser generadas a partir de emisiones espontáneas autoamplificadas.
En este trabajo, Choi y sus colegas utilizaron láseres de electrones libres de rayos X para bombear y sondear una mezcla precomprimida de hierro pesado, agua volátil y dióxido de carbono para simular reacciones químicas entre el núcleo metálico del impactador y los volátiles presentes en el proto-Tierra. Los resultados proporcionaron evidencia experimental de la oxidación del hierro provocada por un impacto gigante, que condujo a las primeras vías evolutivas necesarias para el origen de la vida.
Simulando el entorno inducido por el impacto gigante
Durante los experimentos, los científicos utilizaron una variedad de materiales y estimaron la temperatura de la lámina de hierro tras la irradiación con un único pulso láser de electrones libres de rayos X a partir de la energía depositada para que correspondiera a la energía del pulso absorbida por la muestra irradiada. La densidad de energía aumentó en el instante en que la presión duró picosegundos, mediante compresión por choque láser.
Si bien todavía existe la diferencia en la escala de tiempo entre un impacto gigante y su simulación experimental, la energía de la bomba de rayos X cubrió una gran proporción de las condiciones impulsadas por el impacto gigante.
Choi y el equipo determinaron además la presión y la temperatura del pulso de la sonda de rayos X y determinaron el efecto en el sistema hierro-agua. Cuando el equipo sondeó las muestras con un pulso adicional en algún momento después de cada tren de pulsos, las reacciones resultantes produjeron hidrógeno adicional como producto de oxidación secundario.
Además, Choi y su equipo realizaron láseres de electrones libres de rayos X en el sistema de dióxido de hierro y carbono, donde el óxido ferroso reaccionó aún más con el CO2 para formar siderita a partir de pulsos consecutivos.
Observaciones microscópicas de las muestras recuperadas
Los científicos obtuvieron más información sobre la vía de reacción de los experimentos después de sondear las secciones transversales de las muestras recuperadas con haz de iones enfocado y microscopía electrónica.
Para comprender el papel del silicato en las reacciones gigantes impulsadas por el impacto, el equipo realizó un experimento de calentamiento láser in situ en el sistema hierro-agua-silicato. Observaron cómo la presencia de silicato no afectaba la oxidación del hierro ni la producción de especies reducidas. Si bien la cantidad de agua y dióxido de carbono en la Tierra de silicato a granel antes de que la luna formara el impacto fue muy controvertida, existe la suposición de que los reactivos participan plenamente en las reacciones gigantes inducidas por el impacto.
Panorama
De esta manera, Jinhuyuk Choi y sus colegas propusieron un esquema para los gigantescos procesos redox impulsados por impactos de la atmósfera primitiva y el manto de la Tierra. Observaron que el grado de formación de óxido de hierro y de hidrogenación del hierro estaba inversamente correlacionado con la presión producida por la reacción entre el hierro y el agua. Los experimentos con sonda-bomba láser de electrones libres de rayos X en hierro precomprimido, mezclado con volátiles, simularon experimentalmente reacciones gigantes impulsadas por impactos en el océano de magma.
El equipo de investigación estimó las cantidades de especies de hierro oxidado y volátiles reducidos. Durante el trabajo, el equipo apoyó la hipótesis de Theia, que describe una colisión entre la protoTierra y un cuerpo astronómico llamado Theia. Los resultados explicaron la conformación temporal y global del manto oxidado y la atmósfera reducida para facilitar el surgimiento de la vida en la Tierra primitiva.
Con información de Science
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