Huge Asteroids Brought Gold to Infant Earth, Study Says

Just as wise men are said to have brought gold to baby Jesus, huge asteroids may have brought gold and other precious metals to infant Earth, new research suggests.

Scientists have long known that there's a mysterious amount of siderophile ("iron-loving") metals in Earth's mantle. Such metals, including gold, tend to affiliate with iron in their liquid forms.

The best explanation has been that some sort of space object brought the elements to the planet just after it formed its core, but the exact nature of the impactor has been a matter of debate.

Based on computer simulations, the new study says that a small number of enormous, random impacts roughly 4.5 billion years ago are the sources of Earth's iron-loving materials.

These impactors were rocky objects left over from our solar system's planet-formation phase. The largest one that hit Earth was roughly the size of Pluto—up to 2,000 miles (3,220 kilometers) wide, the study suggests.

And young Earth wasn't the only recipient: Cataclysmic collisions delivered iron-loving metals to the moon and Mars around the same time, the study authors say. What's more, the impacts may have been the source of water on the moon.

(Related: "Moon's Silver Hints at Lunar Water Origins.")

"These elements are telling us about what was hitting these worlds in sort of the 'last gasp' growth spurt that they had," said study leader William Bottke, of the Southwest Research Institute in Boulder, Colorado.

Impact Odds Like Rolling the Dice

Moon rocks brought back during the Apollo missions led to the now widely accepted theory that the moon formed when a Mars-size object crashed into early Earth.

Energy from the impact would have spurred the still forming Earth to develop its mostly iron core. When this happened, iron-loving metals should have followed molten iron down from the planet's mantle and into the core.

But we know that gold and other iron-lovers are found in modest abundances in Earth's mantle. (Explore Earth's insides.)

Using a mathematical approach called Monte Carlo analysis, Bottke's team calculates that iron-loving metals were delivered in a limited number of massive impacts that just happened to miss the moon.

In cross section, the moon is about one-twentieth Earth's size, so one might expect the moon to have one-twentieth as many precious metals in its mantle, if the materials were delivered by impacts.

That's because, if millions of impacts had occurred, the odds of objects hitting Earth and the moon would likely have evened out to sustain the 1-to-20 ratio.

Instead, the moon has one-thousandth as many iron-loving metals as Earth. According to the study, published this week in the journal Science, those odds can be explained if a limited number of massive impactors were involved.

A lucky roll of the dice could easily have meant that a huge object missed the smaller moon but smashed into Earth—creating the metal discrepancies we see today.

Asteroid Belt Puts Proof in the Pudding?

"It's a cute result, but how do you prove such a thing?" Bottke said. The key, he thinks, is to look at the existing remnants of planet formation in our solar system, aka asteroids.

In the inner asteroid belt, the three largest space rocks—Ceres, Pallas, and Vesta—range from 300 to 600 miles (483 to 966 kilometers) across.

These bodies are much larger than the biggest of the rest, which measure only 150 miles (241 kilometers) across, and no "in between" sizes seem to exist.

"Most of the mass is in the biggest objects," Bottke said. "It's a top-heavy size distribution that is consistent with the kinds of populations needed to make what we see on the Earth and moon."

Martian craters tell a similar tale. The sizes of the oldest impact basins on the red planet appear consistent with a theory that Mars was hit by a population of space objects dominated by a few large asteroids, Bottke said.

(Related: "Texas-Size Asteroid Slammed Early Mars, Studies Say.")

Weak Links in Chain of Speculation?

While the theory is intriguing, planetary scientist Jay Melosh of Purdue University said he isn't quite convinced.

"This is a darn good group of people," Melosh said of the study's authors. "But I find this theory really speculative, and I think some of the links in this chain of speculation are quite weak."

For instance, Melosh notes—and the study authors agree—such massive space rocks would themselves have formed cores, which would have trapped their gold and other iron-loving metals.

"The problem, then, is how the impactors' cores gave up their gold and re-implanted it into the mantles of the Earth and Mars," he said. "The only way this can happen is if the metallic iron of the impactor core is oxidized"—but that would require an abundant source of oxygen, which most models of early Earth don't include.

"So what they need to provide is some mechanism for getting those elements out of the [asteroids'] cores and into the mantle of the Earth," he said. "A mechanism for that is not at all easy and very hard to understand."

The study addresses this problem with simulations showing that the projectiles may have plowed entirely through early Earth—still largely molten—and come out the other side in highly-fragmented states, raining debris back down on the surface over an extended period.

"This allows big collisions to deliver lots of material, but in a manner not so different from small-body accretion," study leader Bottke said. (Related: "Comet Swarm Delivered Earth's Oceans?")

But Purdue's Melosh also thinks it's possible gold exists in Earth's mantle due to unknown but orderly chemical processes and not random collisions.

"Observations show that concentrations of these elements on Mars and Earth are about the same, and the moon is a lot lower," he said. "What the model does is make this a complete accident, a matter of who got hit by what and when."

"It might indeed be completely accidental," Melosh said. "But the fact that Earth and Mars come out nearly the same strongly suggests that it's not accidental."


Như những người khôn ngoan đã mang vàng đến tặng Chúa hài đồng, các nghiên cứu mới đã cho thấy các tiểu hành tinh khổng lồ đã mang vàng đến cho Trái đất từ thuở còn sơ khai.
Từ lâu, các nhà khoa học đã biết rằng có một số lượng bí ẩn các kim loại ưa sắt tồn tại trong lớp vỏ Trái đất. Những kim loại này, bao gồm cả vàng, có xu hướng liên kết với sắt ở dạng lỏng.
Cách giải thích tốt nhất cho rằng một số kiểu vật thể không gian đã mang các nguyên tố đến Trái đất ngay sau khi lõi của nó được hình thành, nhưng bản chất chính xác của các vật thể va chạm vẫn đang được tranh luận.
Dựa trên mô phỏng máy tính, nghiên cứu mới này cho rằng một số lượng nhỏ các va chạm với các vật thể không gian tự do, có kích thước khổng lồ va chạm trực diện với Trái đất khoảng 4,5 tỉ năm về trước là nguồn gốc của các vật liệu ưa sắt trên Trái đất.
Những đối tượng va chạm là những thiên thạch còn sót lại sau khi Hệ mặt trời hình thành. Nghiên cứu cho thấy thiên thạch lớn nhất đã va chạm vào Trái đất có kích thước cỡ Diêm Vương tinh, với chiều rộng lên đến 2000 dặm (3220 km).
Và Trái đất sơ khai cũng không phải là đối tượng duy nhất phải tiếp nhận. Các học giả cho rằng các va chạm mạnh mẽ đã gửi các nguyên tố ưa sắt tới Hỏa tinh và Mặt trăng. Hơn nữa, các va chạm này có thể là nguồn cung cấp nước cho Mặt trăng.
Wiliam Bottke trưởng nhóm nghiên cứu của viện nghiên cứu nam Boulder, nam Colorado cho biết: “Các nguyên tố đó đã cho chúng tôi biết những gì đã va chạm vào thế giới trong những giây phút cuối cùng của sự hình thành”.

Tỉ lệ các va chạm giống như trò chơi xúc xắc.
Những tảng đá từ Mặt trăng được mang về từ sứ mệnh của tàu Appolo dẫn đến việc chấp nhận một cách rộng rãi các lý thuyết cho rằng Mặt trăng được hình thành do một vật thể có kích cỡ sao Hỏa va chạm vào Trái đất trong khi nó đang hình thành.
Năng lượng của vụ va chạm có lẽ đã thúc đẩy sự định hình của Trái đất, đặc biệt là trong nhân của nó. Khi điều này xảy ra, các nguyên tố ưa sắt theo sắt nóng chảy đi từ lớp vỏ vào bên trong nhân Trái đất.
Nhưng chúng ta biết rằng vàng và các nguyên tố ưa sắt khác được tìm thấy nhiều nhất ở lớp vỏ của Trái đất.
Sử dụng mô hình toán học gọi là phép phân tích Monte Carlo, nhóm của Bottke đã tính toán rằng các nguyên tố ưa sắt được chuyển đến chỉ với một số lượng giới hạn các va chạm ở Mặt trăng.
Thiết diện của Mặt trăng chỉ bằng khoảng 1/20 lần thiết diện của Trái đất, do đó, người ta có thể hi vong là các kim loại quý trong lớp vỏ cúa Mặt trăng sẽ bằng 1/20 lần các kim loại quý trong lớp vỏ của Trái đất, nếu chúng được mang đến do va chạm.
Vì rằng có hàng triệu vật thể lạ va chạm vào Mặt trăng và Trái đất, nên tỉ lệ của các va chạm là vào cỡ 1:20.
Thay vào đó, tỉ lệ các kim loại ưa sắt ở trên Mặt trăng chỉ vào cỡ 1:1000 lần trên Trái đất. Theo nghiên cứu, được công bố trên nhật báo Science vào tuần này, điều kì lạ đó có thể giải thích được nếu giới hạn số lượng các va chạm của các vật thể nặng.
Giống như một lần tung súc xắc đầy may mắn, có thể thấy rằng một vật thể lớn đã đâm vào Trái đất mà bỏ qua Mặt trăng, để tạo nên sự khác biệt mà chúng ta thấy như ngày nay.

Có thể tìm thấy dấu vết ở vành đai các tiểu hành tinh?
Bottke nói: ”đó là một kết quả đẹp, nhưng chúng ta chứng minh nó như thế nào?”. Theo ông, chìa khóa của vấn đề chính là nhìn nhận đến sự tồn tại của những gì còn lại sau khi các hành tinh trong hệ Mặt trời được hình thành, được biết đến như các tiểu hành tinh.
Ở vành đai tiểu hành tinh trong, có ba thiên thể lớn nhất-Ceres, Pallas và Vesta, có kích thước trong khoảng từ 300-600 dặm (483-966km).
Những vật thể này lớn hơn nhiều so với thiên thạch lớn nhất của phần còn lại trong vành đai tiểu hành tinh, kích thước đo được chỉ có 150 dặm-241km, và không đối xứng.
“Phần lớn khối lượng của vành đai tập trung ở các vật thể lớn nhất”-Bottke cho biết. “Chúng ở trong tốp đầu những vật thể to, nặng chứa những vật chất phổ biến cho sự hình thành Trái đất và Mặt trăng”
Những miệng phễu trên sao Hỏa cũng cho biết điều tương tự. Kích thước của hố va chạm già nhất trên bề mặt hành tinh đỏ cho phép xuất hiện một lý thuyết cho rằng hành tinh đỏ đã bị va chạm với một trong những số ít các thiên thạch khổng lồ, Bottke cho biết.

Sự liên kết yếu ớt trong chuỗi nghiên cứu?
Trong khi lý thuyết này là khá hấp dẫn, nhà hành tinh học Jay Melosh ở đại học Purdue cho rằng ông không tin tưởng lắm vào kết quả này.
“Đây là một mạng hợp tác tốt của mọi người”-Melosh nói về các học giả. “Nhưng tôi tìm ra rằng lý thuyết này thực sự chỉ mang tính ước đoán. Tôi nghĩ sự liên kết giữa các chuỗi nghiên cứu là khá yếu”.
Để ví dụ, Melosh dẫn-và các học giả khác cũng đồng ý-rằng các tảng đá lớn trong vũ trụ sẽ tự hình thành nhân, điều này sẽ bẫy vàng và các kim loại ưa sắt khác.
“Vấn đề ở đây là, làm thế nào mà nhân của các vật thể va chạm đã từ bỏ vàng của chúng, và vàng lại được tái cấy ghép trong lớp vỏ của Trái đất và Sao Hỏa?”-ông nói. “Cách này chỉ xảy ra nếu như sắt trong nhân của các vật thể va chạm đã bị rỉ.”-Nhưng điều đó đòi hỏi một nguồn ôxi dồi dào, mà hầu hết các mô hình của Trái đất sơ khai không bao gồm.
“Vì vậy những gì họ cần là cung cấp một số cơ chế để các nguyên tố đi ra khỏi nhân [của các tiểu hành tinh] và xâm nhập vào lớp vỏ Trái đất,” ông nói. “Một cơ chế như vậy không hề dễ dàng và rất khó hiểu.”
Những nơi cùng nghiên cứu vấn đề này đồng thời chỉ ra rằng các mảnh vỡ rất có thể sẽ cày xới phần còn lại của Trái đất sơ khai.-và vẫn bị nấu chảy mãnh liệt, bắn ra ở bên kia trong trạng thái đầy các mảnh vỡ. Các trận mưa của các mảnh vỡ trở lại bề mặt trái đất kéo dài trong cả một thời gian dài.
“Điều này cho phép các va chạm lớn đem đến rất nhiều vật chất, nhưng với cách thức không quá khác biệt với sự lớn lên của các vật thể nhỏ.”-Trưởng nhóm nghiên cứu nói.
Nhưng nhóm nghiên cứu ở đại học Purdue của Melosh cũng nghĩ rằng hoàn toàn có thể tông tại vàng trong lớp vỏ của Trái đất, là kết quả của các quá trình hóa học không rõ, nhưng có trật tự và các va chạm không ngẫu nhiên.
“Quan sát chỉ ra rằng sự tập trung của các nguyên tố này trong lớp vỏ của Trái đất và Sao Hỏa là như nhau, nhưng ở Mặt trăng thì ít hơn nhiều.”, ông nói. “Tất cả những gì mô hình này làm là tạo ra một sự cố hoàn toàn. Và vấn đề là bị va chạm bởi cái gì và thời gian nào?
"Nó thực sự có thể xảy ra hoàn toàn tình cờ," Melosh nói. "Nhưng thực tế là Trái đất và sao Hỏa trải qua gần như nhau, và có thể thừa nhận mạnh mẽ rằng điều đó không hề mang tính tình cờ.”