Des planétologues simulent l’oxydation du fer par impact géant au cours de l’évolution atmosphérique des débuts de la Terre

Les processus redox provoqués par des impacts géants dans l’atmosphère et l’océan magmatique pourraient avoir joué un rôle crucial au cours de l’évolution de la Terre. Cependant, l’absence de documents rocheux de l’époque ou de l’époque rend difficile la compréhension de ces processus.

Dans un rapport publié dans Avancées scientifiquesJinhuyuk Choi et une équipe de recherche composée de planétologues à Séoul, en Allemagne et en Corée, ont présenté des résultats expérimentaux capables de simuler des réactions géantes provoquées par un impact entre le fer et les substances volatiles, en utilisant Lasers à électrons libres à rayons X.

Les scientifiques ont utilisé la pompe laser à électrons libres à rayons X pour oxyder le fer en wüstite et réduit les substances volatiles en hydrogène et en monoxyde de carbone. L’oxydation du fer s’est produite pour former des hydrures et étoiles pour impliquer une limite redox. Les résultats mettent en lumière le processus de création d’une atmosphère réduite qui est à l’origine de l’émergence de molécules organiques prébiotiques sur la Terre primitive.

Evolution de la Terre et origine de la vie

Le premier impact géant qui a conduit à la formation de la Lune il y a plus de 4,5 milliards d’années a été un déterminant catastrophique pour l’humanité. évolution de la Terre. Le mélange chimique global et le processus redox qui se sont produits dans l’atmosphère de vapeur et l’océan magmatique en raison de cet effet d’impact géant ont conduit à un dégazage et à une formation intermédiaire dans l’atmosphère réduite ; une condition préalable à l’origine de la vie.

Alors que diverses études ont proposé des scénarios plausibles sous-tendant les processus redox du manteau et de l’atmosphère primitifs de la Terre, les chercheurs ont attribué la formation d’espèces organiques prébiotiques au faible fugacité de l’oxygène de la planète. Le manteau terrestre a été oxydé au niveau actuel depuis l’âge archéen pour contenir eau, dioxyde de carbone et azote. Pour mener des simulations numériques reproduisant les premières conditions terrestres, les chercheurs ont dû développer des méthodes expérimentales appropriées pour valider les réactions induites par les impacts géants.

L’impact de formation de la lune peut avoir vaporisé la masse de silicate de la Terre pour former une atmosphère de vapeur et dilaté l’océan de magma pour provoquer un mélange global entre les matériaux de la proto-Terre et l’impacteur différencié. Les planétologues postulent que l’impact de la formation de la Lune aurait induit de vigoureuses réactions chimiques entre les composés différenciés de l’impacteur et la proto-Terre, conduisant au début de la vie.

Lasers à électrons libres à rayons X comme sonde structurelle

Étant donné que les lasers à électrons libres à rayons X constituent la source de lumière artificielle la plus brillante dans le régime énergétique des rayons X produits à partir de aimants onduleurs. L’équipe a incorporé des structures pulsées ultracourtes de type laser générées à partir d’une émission spontanée auto-amplifiée.

Dans ce travail, Choi et ses collègues ont utilisé des lasers à électrons libres à rayons X pour pomper et sonder un mélange pré-comprimé de fer lourd, d’eau volatile et de dioxyde de carbone afin de simuler des réactions chimiques entre le noyau métallique de l’impacteur et les substances volatiles présentes dans le proto-Terre. Les résultats ont fourni des preuves expérimentales de l’oxydation géante du fer provoquée par un impact, conduisant aux premières voies évolutives nécessaires à l’origine de la vie.

Simulation de l’environnement induit par un impact géant

Au cours des expériences, les scientifiques ont utilisé divers matériaux et ont estimé la température de la feuille de fer lors de l’irradiation par une seule impulsion laser à électrons libres à rayons X provenant de l’énergie déposée pour correspondre à l’énergie d’impulsion absorbée par l’échantillon irradié. La densité d’énergie augmentait à l’instant où la pression durait picosecondes, de compression par choc laser.

Bien que la différence d’échelle de temps entre un impact géant et sa simulation expérimentale existe toujours, l’énergie de la pompe à rayons X a couvert une grande partie du temps. conditions géantes axées sur l’impact.

Choi et l’équipe ont en outre déterminé la pression et la température de l’impulsion de la sonde à rayons X et ont déterminé l’effet sur le système fer-eau. Lorsque l’équipe a sondé les échantillons avec une impulsion supplémentaire quelque temps après chaque train d’impulsions, les réactions résultantes ont produit de l’hydrogène supplémentaire en tant que produit d’oxydation secondaire.

De plus, Choi et son équipe ont réalisé des lasers à électrons libres à rayons X sur le système fer-dioxyde de carbone, où l’oxyde ferreux a réagi davantage avec le CO.₂ former étoilé à partir d’impulsions consécutives.

Observations microscopiques des échantillons récupérés

Les scientifiques ont acquis de nouvelles connaissances sur la voie de réaction des expériences après avoir sondé les sections efficaces des échantillons récupérés avec faisceau d’ions focalisé et microscopie électronique.

Pour comprendre le rôle du silicate dans les réactions géantes provoquées par un impact, l’équipe a réalisé une expérience de chauffage laser in situ sur le système fer-eau-silicate. Ils ont noté que la présence de silicate n’avait pas d’impact sur l’oxydation du fer ou sur la production d’espèces réduites. Alors que la quantité d’eau et de dioxyde de carbone présente sur la Terre avant la formation de la Lune était très controversée, il existe une hypothèse selon laquelle les réactifs participeraient pleinement aux réactions induites par l’impact géant.

Perspectives

De cette manière, Jinhuyuk Choi et ses collègues ont proposé un schéma pour les processus redox géants induits par les impacts de l’atmosphère primitive et du manteau terrestre. Ils ont observé que l’ampleur de la formation d’oxyde de fer et de l’hydrogénation du fer était inversement corrélée à la pression produite par la réaction entre le fer et l’eau. Les expériences de pompe-sonde laser à électrons libres à rayons X sur le fer pré-comprimé, mélangé à des substances volatiles, ont simulé expérimentalement des réactions géantes provoquées par un impact dans l’océan magmatique.

L’équipe de recherche a estimé les quantités d’espèces de fer oxydées et de substances volatiles réduites. L’équipe a soutenu l’hypothèse de Theia au cours des travaux, qui décrit une collision entre proto-Terre et un corps astronomique appelé Theia. Les résultats expliquent la conformation temporelle et globale du manteau oxydé et de l’atmosphère réduite pour faciliter l’émergence de la vie sur la Terre primitive.