La Terra e Marte sono stati formati da materiale che in gran parte ha avuto origine nel Sistema Solare interno; solo una piccola percentuale degli elementi costitutivi di questi due pianeti ha avuto origine oltre l'orbita di Giove. Un gruppo di ricercatori guidato dall'Università di Münster (Germania) riporta questi risultati il 22 dicembre 2021 sulla rivista Science Advances. Presentano il confronto più completo fino ad oggi della composizione isotopica della Terra, di Marte e del materiale da costruzione incontaminato del Sistema Solare interno ed esterno.
Parte di questo materiale si trova ancora oggi in gran parte inalterato nei meteoriti. I risultati dello studio hanno conseguenze di vasta portata per la nostra comprensione del processo che ha formato i pianeti Mercurio, Venere,Terra e Marte. La teoria che postula che i quattro pianeti rocciosi siano cresciuti fino alle loro dimensioni attuali accumulando ciottoli di polvere di dimensioni millimetriche dal Sistema Solare esterno non è sostenibile.
Circa 4,6 miliardi di anni fa, nei primi giorni del nostro Sistema Solare, un disco di polvere e gas orbitava attorno al giovane Sole. Due teorie descrivono come nel corso di milioni di anni i pianeti rocciosi interni si siano formati da questo materiale da costruzione originale. Secondo la teoria più antica, la polvere nel Sistema Solare interno si è agglomerata in pezzi sempre più grandi raggiungendo gradualmente approssimativamente le dimensioni della nostra Luna.
Le collisioni di questi embrioni planetari hanno finalmente prodotto i pianeti interni Mercurio, Venere, Terra e Marte. Una teoria più recente, tuttavia, preferisce un processo di crescita diverso: "ciottoli" di polvere di dimensioni millimetriche sono migrati dal Sistema Solare esterno verso il Sole. Sulla loro strada, sono stati accresciuti sugli embrioni planetari del Sistema Solare interno, e passo dopo passo li hanno ingranditi fino alle loro dimensioni attuali.
Entrambe le teorie si basano su modelli teorici e simulazioni al computer volte a ricostruire le condizioni e le dinamiche nel sistema solare primordiale; entrambi descrivono un possibile percorso di formazione dei pianeti. Ma qual è quello giusto? Quale processo ha effettivamente avuto luogo? Per rispondere a queste domande, nel loro attuale studio i ricercatori dell'Università di Münster (Germania), dell'Observatoire de la Cote d'Azur (Francia), del California Institute of Technology (USA), del Museo di Storia Naturale di Berlino (Germania) e della Libera Università di Berlino (Germania) hanno determinato l'esatta composizione dei pianeti rocciosi Terra e Marte.
"Volevamo scoprire se gli elementi costitutivi della Terra e di Marte hanno avuto origine nel Sistema Solare esterno o interno", afferma il dottor Christoph Burkhardt dell'Università di Münster, primo autore dello studio. A tal fine, gli isotopi dei metalli rari titanio, zirconio e molibdeno trovati in minuscole tracce negli strati esterni ricchi di silicati di entrambi i pianeti forniscono indizi cruciali. Gli isotopi sono diverse varietà dello stesso elemento, che differiscono solo nel peso del loro nucleo atomico.
Gli scienziati presumono che nel primo Sistema Solare questi e altri isotopi metallici non fossero distribuiti uniformemente. Piuttosto, la loro abbondanza dipendeva dalla distanza dal Sole. Contengono quindi preziose informazioni su dove nel sistema solare primordiale hanno avuto origine i mattoni di un certo corpo.
Come riferimento per l'inventario isotopico originale del Sistema Solare esterno e interno, i ricercatori hanno utilizzato due tipi di meteoriti. Questi pezzi di roccia hanno generalmente trovato la loro strada verso la Terra dalla fascia degli asteroidi, la regione tra le orbite di Marte e Giove. Sono considerati materiale in gran parte incontaminato fin dagli inizi del Sistema Solare.
Mentre le cosiddette condriti carboniose, che possono contenere fino a qualche percentuale di carbonio, hanno avuto origine oltre l'orbita di Giove e solo successivamente trasferite nella fascia degli asteroidi a causa dell'influenza dei giganti gassosi in crescita, i loro cugini più impoveriti di carbonio, le condriti non carboniose, sono veri figli del Sistema Solare interno.
La precisa composizione isotopica degli strati rocciosi esterni accessibili della Terra e quella di entrambi i tipi di meteoriti sono state studiate per qualche tempo; tuttavia, non ci sono state analisi relativamente complete delle rocce marziane. Nel loro attuale studio, i ricercatori hanno ora esaminato campioni da un totale di 17 meteoriti marziani, che possono essere assegnati a sei tipi tipici di roccia marziana. Inoltre, gli scienziati per la prima volta hanno studiato l'abbondanza di tre diversi isotopi metallici.
I risultati dei ricercatori mostrano che gli strati rocciosi esterni della Terra e di Marte hanno poco in comune con le condriti carboniose del Sistema Solare esterno. Rappresentano solo circa il quattro per cento dei mattoni originali di entrambi i pianeti. "Se la Terra primordiale e Marte avessero principalmente accumulato granelli di polvere dal Sistema Solare esterno, questo valore dovrebbe essere quasi dieci volte superiore", afferma il Prof. Dr. Thorsten Kleine dell'Università di Münster, che è anche direttore del Max Planck Institute for Solar System Research di Gottinga. "Non possiamo quindi confermare questa teoria della formazione dei pianeti interni", aggiunge.
Ma la composizione della Terra e di Marte non corrisponde esattamente al materiale delle condriti non carboniose. Le simulazioni al computer suggeriscono che anche un altro tipo diverso di materiale da costruzione deve essere stato in gioco.
"La composizione isotopica di questo terzo tipo di materiale da costruzione, come dedotto dalle nostre simulazioni al computer, implica che deve aver avuto origine nella regione più interna del Sistema Solare", spiega Christoph Burkhardt. Poiché i corpi di così stretta vicinanza al Sole non sono quasi mai stati dispersi nella fascia degli asteroidi, questo materiale è stato quasi completamente assorbito nei pianeti interni e quindi non si verifica nei meteoriti. "Si tratta, per così dire, di 'materiale da costruzione perduto' a cui oggi non abbiamo più accesso diretto", afferma Thorsten Kleine.
La sorprendente scoperta non cambia le conseguenze dello studio per la teoria della formazione dei pianeti. "Il fatto che la Terra e Marte apparentemente contengano principalmente materiale proveniente dal Sistema Solare interno si adatta bene alla formazione dei pianeti dalle collisioni di grandi corpi nel Sistema Solare interno", conclude Christoph Burkhardt.