Схема эксперимента XFEL с насосом и зондом на предварительно сжатом образце в ячейке с алмазной наковальней. (A) Геометрия эксперимента с насосом и зондом XFEL. (B) Фотографии железной фольги толщиной 4 мкм внутри DAC с окружающими летучими жидкостями: H2O (вверху) и CO2 (внизу). (C) Рентгеновские изображения и диаграммы реакции, вызванной XFEL, в системах Fe + H2O (слева) и Fe + CO2 (справа). Фото: Science Advances, doi: 10.1126/sciadv.adi6096.
Гигантские окислительно-восстановительные процессы в атмосфере и океане магмы, возможно, сыграли решающую роль в эволюции Земли. Однако отсутствие рок-записей того времени или эпохи затрудняет понимание этих процессов.
В отчете, опубликованном в журнале Science Advances, Джинхуюк Чой и исследовательская группа ученых-планетологов из Сеула, Германии и Кореи представили экспериментальные результаты, которые могут моделировать гигантские реакции между железом и летучими веществами, вызванные ударом, с использованием рентгеновских лазеров на свободных электронах.
Ученые использовали рентгеновский лазерный насос на свободных электронах, чтобы окислить железо до вюстита и восстановить летучие вещества до водорода и монооксида углерода. Окисление железа протекало с образованием гидридов и сидеритов, что указывает на окислительно-восстановительную границу. Полученные данные проливают свет на процесс создания уменьшенной атмосферы, лежащий в основе появления пребиотических органических молекул на ранней Земле.
Эволюция Земли и происхождение жизни
Ранний гигантский удар, который привел к образованию Луны более 4,5 миллиардов лет назад, стал катастрофическим фактором, определившим эволюцию Земли. Глобальное химическое смешивание и окислительно-восстановительный процесс, произошедшие в паровой атмосфере и океане магмы из-за этого гигантского ударного эффекта, привели к газовыделению и промежуточному образованию в восстановленной атмосфере; необходимое условие возникновения жизни.
В то время как различные исследования предложили правдоподобные сценарии, лежащие в основе окислительно-восстановительных процессов ранней мантии и атмосферы Земли, исследователи связывают образование пребиотических органических видов с низкой летучестью кислорода на планете. Мантия Земли была окислена до современного уровня с архейской эпохи и содержала воду, углекислый газ и азот. Чтобы провести численное моделирование, воспроизводящее ранние условия Земли, исследователям необходимо было разработать соответствующие экспериментальные методы для подтверждения гигантских реакций, вызванных ударом.
Распределение энергии и временная эволюция давления и температуры под воздействием импульса накачки XFEL. (A) Сравнение энергии, индуцированной MFI, т.е. удельной энергии при ударе в различных моделях с соответствующим приростом внутренней энергии прото-Земли, как принято у Картера и др. (25) к пиковой энергии, доставляемой насосом XFEL, использованным в этом исследовании. Область, окруженная синим прямоугольником, указывает на состояние, достигнутое насосом XFEL, использованным в этом исследовании. (B) Схема изменения температуры железа с помощью насоса XFEL, модифицированная из Husband et al. (39). Числа в верхней части диаграммы обозначают (i) изохорный нагрев, происходящий в течение пикосекунды, (ii) электрон-ионное равновесие, при котором возбуждение электрона передает тепло ионам, составляющим решетку, (iii) изоэнтропическое высвобождение и (iv) изобарное охлаждение. . На вставке показан некумулятивный характер тепла от XFEL-насосов с частотой повторения 30 Гц, использованных в этом исследовании. (C) Распределение тепловой энергии вокруг центра XFEL-насоса в зависимости от радиального расстояния и глубины проникновения в α-Fe. HWHM, половина ширины на половине максимума. Фото: Science Advances, doi: 10.1126/sciadv.adi6096.
Удар, образующий Луну, мог испарить основную массу силиката Земли, образовав паровую атмосферу, и расширить океан магмы, вызвав глобальное смешивание материалов прото-Земли и дифференцированного ударного элемента. Ученые-планетологи предполагают, что удар, образующий Луну, вызвал бы бурные химические реакции между дифференцированными соединениями ударника и прото-Земли, что привело к ранней жизни.
Рентгеновские лазеры на свободных электронах как структурный зонд
Поскольку рентгеновские лазеры на свободных электронах являются наиболее ярким источником искусственного света в энергетическом режиме рентгеновских лучей, получаемых из ондуляторных магнитов. Команда внедрила лазероподобные ультракороткие импульсные структуры, генерируемые за счет самоусиливающегося спонтанного излучения.
В этой работе Чой и его коллеги использовали рентгеновские лазеры на свободных электронах для накачки и исследования предварительно сжатой смеси тяжелого железа, летучей воды и углекислого газа для моделирования химических реакций между металлическим ядром ударника и летучими веществами, присутствующими в прото-Земля. Результаты предоставили экспериментальные доказательства гигантского ударного окисления железа, которое привело к ранним эволюционным путям, необходимым для возникновения жизни.
Моделирование гигантской ударной среды
В ходе экспериментов ученые использовали различные материалы и оценивали температуру железной фольги при облучении одиночным рентгеновским импульсом лазера на свободных электронах по выделившейся энергии, чтобы она соответствовала энергии импульса, поглощенной облученным образцом. Плотность энергии увеличивалась в тот момент, когда давление продолжалось пикосекунды, за счет лазерного ударного сжатия.
Хотя разница во времени между гигантским ударом и его экспериментальным моделированием все еще существует, энергия рентгеновской накачки охватывает большую часть условий, вызванных гигантским ударом.
Предлагаемая схема глобальной окислительно-восстановительной реакции Земли после гигантского удара. Схематическая схема эволюции атмосферы и мантии ранней Земли до и после гигантского удара. Фото: Science Advances, doi: 10.1126/sciadv.adi6096.
Чой и его команда дополнительно определили давление и температуру импульса рентгеновского зонда и определили влияние на систему железо-вода. Когда команда исследовала образцы дополнительным импульсом через некоторое время после каждой серии импульсов, в результате реакций образовался дополнительный водород в качестве вторичного продукта окисления.
Кроме того, Чой и его команда провели рентгеновские лазеры на свободных электронах в системе железо-диоксид углерода, где оксид железа далее вступал в реакцию с CO2 с образованием сидерита в результате последовательных импульсов.
Микроскопические наблюдения извлеченных образцов
Ученые получили дополнительную информацию о ходе реакции в экспериментах после исследования поперечных сечений извлеченных образцов с помощью сфокусированного ионного луча и электронной микроскопии.
Чтобы понять роль силиката в гигантских реакциях, вызванных ударом, команда провела на месте эксперимент по лазерному нагреву системы железо-вода-силикат. Они отметили, что присутствие силиката не влияет на окисление железа или образование восстановленных соединений. Хотя количество воды и углекислого газа на силикатной Земле до удара по формированию Луны было весьма спорным, существует предположение о том, что реагенты полностью участвуют в гигантских реакциях, вызванных ударом.
Перспективы
Таким образом, Джинхуюк Чой и его коллеги предложили схему гигантских окислительно-восстановительных процессов, вызванных ударами, в ранней атмосфере и мантии Земли. Они заметили, что степень образования оксида железа и гидрирования железа обратно пропорциональна давлению, возникающему в результате реакции между железом и водой. Эксперименты с использованием рентгеновского лазера на свободных электронах и зондовой накачки на предварительно сжатом железе, смешанном с летучими веществами, экспериментально моделировали гигантские реакции, вызванные ударом, в океане магмы.
Исследовательская группа оценила количество окисленных форм железа и уменьшенных летучих веществ. В ходе работы команда поддержала гипотезу Тейи, которая описывает столкновение протоземли и астрономического тела под названием Тейя. Результаты объяснили временную и глобальную конформацию окисленной мантии и восстановленной атмосферы, способствовавшую возникновению жизни на ранней Земле.
