Schémas de l'expérience pompe et sonde XFEL sur un échantillon précomprimé dans une cellule à enclume en diamant. (A) Géométrie de l’expérience pompe et sonde XFEL. (B) Photographies d'une feuille de fer d'une épaisseur de 4 µm à l'intérieur du DAC avec des fluides volatils environnants : H2O (en haut) et CO2 (bas). (C) Images et modèles XRD sous réaction induite par XFEL dans Fe + H2O (à gauche) et Fe + CO2 (à droite) systèmes. Crédit: Avancées scientifiquesdoi : 10.1126/sciadv.adi6096
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, à l'aide de 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 réduire les substances volatiles en hydrogène et monoxyde de carbone. L'oxydation du fer s'est produite pour former des hydrures et des sidérites, ce qui implique une limite rédox. 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 de l’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 à la faible fugacité de l’oxygène de la planète. Le manteau terrestre a été oxydé au niveau actuel depuis l'âge archéen pour contenir de l'eau, du dioxyde de carbone et de l'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.
Distribution d'énergie et évolution temporelle de la pression et de la température par impulsion de pompe XFEL. (A) Comparaison de l'énergie induite par le MFI, c'est-à-dire l'énergie spécifique par impact dans divers modèles par rapport au gain d'énergie interne correspondant de la proto-Terre tel qu'adopté de Carter et al. (25), à l'énergie de pointe délivrée par la pompe XFEL utilisée dans cette étude. La zone entourée d'un rectangle bleu indique la condition atteinte par la pompe XFEL utilisée dans cette étude. (B) Schémas de l’évolution de la température du fer par pompe XFEL, modifiés à partir de Husband et al. (39). Les nombres en haut du diagramme indiquent (i) un chauffage isochore se produisant en une picoseconde, (ii) l'équilibre électron-ion où l'excitation de l'électron transfère de la chaleur aux ions composant le réseau, (iii) la libération isentropique et (iv) le refroidissement isobare. . Un encart montre la nature non cumulative de la chaleur produite par les pompes XFEL au taux de répétition de 30 Hz utilisé dans cette étude. (C) Répartition de l’énergie thermique autour du centre de la pompe XFEL en fonction de la distance radiale et de la profondeur de pénétration dans α-Fe. HWHM, demi-largeur à mi-maximum. Crédit: Avancées scientifiquesdoi : 10.1126/sciadv.adi6096
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 d’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 a augmenté à l'instant où la pression a duré des picosecondes, par 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 des conditions provoquées par un impact géant.
Un schéma proposé pour la réaction redox globale de l'impact post-géant de la Terre. Un schéma schématique de l'évolution de l'atmosphère et du manteau au début de la Terre avant et après un impact géant. Crédit: Avancées scientifiquesdoi : 10.1126/sciadv.adi6096
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 pour former de la sidérite 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 par microscopie à faisceau ionique focalisé et 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 la 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.
Plus d'information:
Jinhyuk Choi et al, Oxydation du fer par impact géant et son implication sur la formation d'une atmosphère réduite au début de la Terre, Avancées scientifiques (2023). DOI : 10.1126/sciadv.adi6096
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Citation: Des planétologues simulent l'oxydation du fer par impact géant lors de l'évolution atmosphérique de la Terre primitive (20 décembre 2023) récupéré le 20 décembre 2023 sur
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