Findings of planetologists in Münster contradict hypothesis of a late cometary origin / Publication in "Nature"

Water on Earth is the precondition for life as we know it. But where does it come from, and how long has it been here? Scientists currently discuss two possibilities: Either water was here at an early stage, during the main phase of Earth’s formation, or Earth was initially completely dry and water only arrived later – through the impacts of comets or ‘wet’ asteroids originating from the outer areas of the solar system. Researchers at the Institute for Planetology at the University of Münster have now tested this hypothesis using very precise isotope measurements on samples that came from the asteroid belt. Their conclusion supports the first possibility, that water arrived early during the Earth’s evolution. Their findings have been published in the latest issue of the journal "Nature".

The Münster scientists examined the isotopic composition of ruthenium, a noble metal. Noble metals have an extreme tendency to bond with metal, so they likely moved completely into the planet’s metallic core when the Earth was formed. However, even though the noble metals should have been removed entirely to the core, there still are some noble metals in the Earth’s mantle. This is explained by the late accretion of smaller bodies such as asteroids or comets colliding with the Earth after the core was fully formed and bringing new material to Earth. This material, called the ‘late veneer’, did not enter the Earth’s core, but instead enriched the Earth’s mantle with noble metals. Calculations indicate that this late veneer might also have brought all the water to Earth.

However, upon examining various meteorite samples – fragments of asteroids located between Mars and Jupiter – the Münster researchers demonstrated that there are differences in the isotopic composition of ruthenium between asteroids and the Earth. "All the ruthenium in the Earth’s mantle comes from the late veneer. The different ruthenium isotopic compositions of Earth’s mantle and meteorites therefore show that the late veneer cannot consist of asteroids, but must have come from the inner part of the solar system," explains Dr. Mario Fischer-Gödde.

He and Prof. Thorsten Kleine showed that these isotopic anomalies become greater the farther the asteroids are from the sun. They assume that this principle also holds true for comets. However, as only those asteroids and comets which are far away from the sun actually contain sufficient water, the two scientists conclude that these data rule out the possibility of water on Earth coming from the late veneer.

"What our data show is that the Earth was already incorporating water-rich bodies at a very early stage – during the main phase of its formation," say the two scientists. This result matches recent planet formation models, which show that water-rich material was transported from outer to inner areas of the solar system at a very early stage, during the formation of Jupiter. "This material was incorporated into the Earth and made our planet life-sustaining," says Thorsten Kleine.

The work was carried out as part of the SFB-Transregio Collaborative Research Centre 170 entitled "Late accretion onto terrestrial planets" and was supported with funding from the German Research Foundation.

Original publication:

Mario Fischer-Gödde and Thorsten Kleine (2017): Ruthenium isotopic evidence for an inner Solar System origin of the late veneer. Nature  541, 525–527. doi:10.1038/nature21045.

http://www.nature.com/nature/journal/v541/n7638/full/nature21045.html

Wasser gelangte früher auf die Erde

Ergebnisse münsterscher Planetologen widersprechen der "Kometen-Hypothese" / Veröffentlichung in "Nature"

Das Wasser auf der Erde ist Voraussetzung für das Leben wie wir es kennen. Aber wo kommt es her und seit wann ist es hier? Wissenschaftler diskutieren zwei Möglichkeiten. So könnte das Wasser schon früh während der Hauptphase der Erdentstehung da gewesen sein. Eine andere Hypothese besagt, dass die Erde zunächst völlig trocken war und das Wasser erst später auf die Erde gelangte: durch die Einschläge von Kometen oder "nassen" Asteroiden, die aus äußeren Bereichen des Sonnensystems stammten. Planetologen der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (WWU) prüften diese Hypothese nun mit sehr genauen Isotopenmessungen. Ihr Fazit: Das Wasser gelangte bereits früh während der Erdentstehung auf die Erde. Die Ergebnisse sind in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins "Nature" veröffentlicht.

Die münsterschen Wissenschaftler untersuchten die Isotopen-Zusammensetzung des Edelmetalls Ruthenium. Der Hintergrund: Die Edelmetalle haben eine extreme Tendenz, sich mit Metall zu verbinden. Sie sollten daher bei der Bildung der Erde vollständig in den metallischen Erdkern gewandert sein. Jedoch sind im Erdmantel Edelmetalle vorhanden. Dies wird damit erklärt, dass nach Abschluss der Kernbildung kleinere Körper wie Asteroide oder Kometen mit der Erde kollidierten und dadurch neues Material auf die Erde gelangte. Dieses Material wird in der Fachsprache "late veneer" genannt (englisch für "späte dünne Lage"). Es gelangte nicht mehr in den Erdkern und reicherte den Erdmantel wieder mit Edelmetallen an. Dieses "late veneer" könnte Berechnungen zufolge auch das gesamte Wasser auf die Erde gebracht haben.

Die münsterschen Forscher zeigten jedoch, dass es zwischen Asteroiden und der Erde Unterschiede in der Isotopen-Zusammensetzung des Rutheniums gibt. "Alles Ruthenium im Erdmantel kommt vom 'late veneer'. Die Unterschiede in der Isotopen-Zusammensetzung zeigen, dass das 'late veneer' nicht aus Asteroiden bestehen kann, sondern aus dem Inneren des Sonnensystems stammen muss", erklärt Planetologe Dr. Mario Fischer-Gödde. Gemeinsam mit Prof. Dr. Thorsten Kleine hatte er verschiedene Meteorite untersucht. Diese Meteorite sind Bruchstück von Asteroiden, die sich zwischen Mars und Jupiter befinden.

Die Forscher zeigten, dass die Isotopen-Unterschiede größer werden, je weiter die Asteroide von der Sonne entfernt sind. Sie gehen davon aus, dass dieses Prinzip auch für Kometen gilt. Da aber nur Asteroide und Kometen, die weit von der Sonne entfernt sind, überhaupt genügend Wasser enthalten, schließen diese Daten aus, dass das Wasser auf der Erde vom "late veneer" stammt, so das Fazit von Mario Fischer-Gödde und Thorsten Kleine.

"Unseren Daten zeigen, dass die Erde schon sehr früh, in ihrer Hauptbildungsphase, wasserreiche Körper aufnahm", erklären die beiden Wissenschaftler. Dieses Ergebnis passe zu neueren Modellen der Planetenbildung, die zeigen, dass durch die Entstehung von Jupiter schon sehr früh wasserreiches Material vom äußeren in das innere Sonnensystem transportiert wurde. "Dieses Material wurde in die Erde eingebaut und hat unserem Heimatplaneten lebensfreundlich gemacht", sagt Thorsten Kleine.

Die Arbeit entstand im Rahmen des Sonderforschungsbereichs SFB-Transregio 170 "Late accretion onto terrestrial planets" ("Spätes Wachstum erdähnlicher Planeten") und wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft unterstützt.

Originalpublikation:

Mario Fischer-Gödde and Thorsten Kleine (2017): Ruthenium isotopic evidence for an inner Solar System origin of the late veneer. Nature  541, 525–527. doi:10.1038/nature21045.

http://www.nature.com/nature/journal/v541/n7638/full/nature21045.html