Adam Sarafian è venuto alla Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI) come studente laureato per imparare come la Terra ha avuto il suo oceano in primo luogo.

“La grande domanda è, come e quando il pianeta ha avuto la sua acqua?” ha detto Horst Marschall, uno dei consulenti di dottorato di Sarafian alla WHOI. “Tutti i popoli hanno miti sulla provenienza dell’acqua. Nella Genesi dell’Antico Testamento, nei miti norreni e anche in quelli greci – è una vecchia domanda.”

Infatti, è una delle domande più antiche del sistema solare, e ci sono due possibili risposte, ha detto Sarafian: “O la Terra si è formata ed era asciutta, seduta lì, in attesa dell’acqua, e l’acqua è arrivata da comete o altri corpi bagnati che hanno colpito la Terra relativamente tardi nella storia. Oppure, l’acqua proveniva dall’interno della Terra, cioè la Terra ha ottenuto l’acqua mentre si stava ancora formando, e poi i vulcani hanno emesso vapore e altri composti contenenti acqua in superficie.”

Ironicamente, le risposte al mistero non erano nell’acqua liquida ma nelle rocce solide. Sarafian e colleghi hanno seguito un percorso scrupoloso per estrarre prove da rari campioni di antichi meteoriti caduti sulla Terra. Ha superato un disturbo dell’apprendimento che gli rende difficile leggere e ha superato le altezze come un lanciatore di aste All-American, il tutto prima di lanciare una carriera scientifica che ora gli ha permesso di sfrecciare attraverso l’universo e indietro nel tempo fino al periodo in cui la Terra si stava ancora formando.

Altezze e ostacoli

In terza elementare, a Sarafian fu diagnosticata una difficoltà di apprendimento. “Non potevo davvero leggere un paragrafo e sapere cosa diceva il paragrafo, qualsiasi paragrafo”, ha detto. “Invece di prendere elettivi, ho preso lezioni di educazione speciale. È stata una lotta per tutta la scuola, solo per cercare di essere in grado di leggere.”

Ma è diventato abbastanza bravo in atletica. “Mia madre possiede una scuola di ginnastica a Eatontown, New Jersey”, ha detto. “Sono cresciuto nella palestra. L’allenatore di atletica del suo liceo lo convinse a provare il salto con l’asta e lui, per gioco, lo fece.

“Al mio terzo anno, mi sono prefissato l’obiettivo di vincere il campionato statale”, ha detto. “

“Adam era meticoloso nella sua preparazione e nell’attenzione ai dettagli”, ha detto il suo allenatore, Mark DeSomma. “Conosceva tutte le regole e i regolamenti. Al nostro incontro di campionato, ha informato il direttore dell’incontro che la buca del salto con l’asta non era regolamentare. Il direttore gli ha detto: “Figliolo, puoi scegliere di saltare o non saltare, ma quella è la nostra buca e non va da nessuna parte”. “

Sarafian ha battuto il record statale di 16 piedi e 6 pollici, che era rimasto in piedi per 25 anni. Poi ha continuato a saltare 17 piedi 4½ pollici al campionato della conferenza si incontrano, volteggiando sopra il record di un sorprendente 10½ pollici.

Questo gli ha fatto guadagnare una borsa di studio per il salto con l’asta all’Università della Georgia, dove è diventato un NCAA All-American. Dal suo ultimo anno, tuttavia, gli infortuni sono montati.

“Mi sono rotto la mano, quando ho rotto un palo. E mi sono detto, ‘È il mio ultimo anno, potrei anche continuare. Mi metteremo il nastro adesivo sulla mano e andrà tutto bene”. Poi, alla fine della stagione, i piedi hanno iniziato a farmi molto male”. Sarafian ha completato gli ultimi due mesi della sua carriera di atletica NCAA con fratture in entrambi i piedi.

All’incontro del campionato regionale, Sarafian poteva a malapena camminare. “Dopo ogni salto non potevo nemmeno camminare fuori dal tappeto. Me ne andavo strisciando. Ho pensato, ‘Bene, non farò le nazionali, ma è stato un bel viaggio’. ”

Era in qualche modo sollevato per un altro motivo. Al college, aveva iniziato a sviluppare un’altra passione: la geologia. La laurea in geologia richiedeva due mesi di lavoro sul campo, che iniziavano più o meno nello stesso periodo dell’incontro del campionato nazionale. “Poi l’ufficiale arriva e dice: ‘Sei arrivato alle nazionali! “

Nei preliminari delle nazionali, i suoi piedi erano così gonfi che indossava un numero di scarpe più grande.

I piedi gli facevano così male che poteva sopportare solo brevi corse fino alla barra. “Ero come, ‘Va bene, ultimo salto, questo è tutto! L’ho fatto e mi sono detto: “Almeno sono arrivato alle eliminatorie nazionali”. Poi l’ufficiale si avvicina e dice: ‘Sei arrivata alle finali!’ e io dico: ‘Noooooo! Devo andare a lavorare sul campo”. “

All’ultimo minuto, però, è stato tagliato dalla competizione. “È stato agrodolce essere tagliato, ma sapevo di non essere al massimo e il mio corpo si stava rompendo. Ho guardato le finali e ho fatto il tifo per tutti i miei amici. Due giorni dopo, ero in Alaska con gli scarponi da trekking, a scalare montagne, a fare ricerche geologiche sul campo.”

“L’evento del salto con l’asta”, ha detto DeSomma, “è ripetitivo, misurato, con molti giorni frustranti, tentativi mancati per un pelo, e fallimento dopo fallimento, fino a quei sorprendenti momenti di successo. La personalità di Adam era una ricerca incessante dell’eccellenza.”

Sarafian ha incanalato quell’energia nella sua carriera scientifica post-vaulting.

In principio

La domanda sull’origine dell’acqua della Terra è sorta per la prima volta durante le lezioni universitarie di Sarafian e ha continuato durante il master in Georgia. “La risposta era sempre ‘non lo sappiamo! “

Nei primi giorni del nostro sistema solare, circa 4,6 miliardi di anni fa, la Terra e altri protopianeti stavano ancora prendendo forma, ha spiegato Sarafian. Entro una certa distanza dal sole, era troppo caldo perché l’acqua rimanesse stabile, e qualsiasi vapore sarebbe stato spazzato via dai venti solari. Oltre una distanza sufficiente dal sole, chiamata “linea della neve”, l’acqua potrebbe esistere sotto forma di ghiaccio. Il bordo interno della linea della neve era circondato da una cintura di asteroidi che includeva un grande asteroide chiamato Vesta. “È quasi come un pianeta che non si è formato completamente”, ha detto.

Circa 15 anni fa, “gli scienziati hanno cominciato a pensare che forse l’acqua della Terra proveniva da condriti carbonacee”, ha detto Sarafian. Questi sono un tipo di meteorite che contiene molta acqua. L’ipotesi era che l’orbita del vasto proto-Giove cominciò a migrare più vicino al sole. “Giove disse, ‘Togliti di mezzo’ e tutte queste condriti carbonacee ricche d’acqua al di fuori della linea della neve furono scagliate verso il sole, e tutti i pianeti interni, Mercurio, Venere, Terra e Marte. Avrebbero sbattuto contro Vesta o anche contro la Terra e sarebbero stati incorporati nelle rocce dei pianeti interni entro i primi 20 milioni di anni della formazione del sistema solare”

Così gli scienziati hanno iniziato a confrontare l’acqua della Terra con quella delle condriti carbonacee. La chiave è l’idrogeno, l’elemento più abbondante nell’universo. L’idrogeno ha due isotopi: l’idrogeno normale, con una massa di uno, e il deuterio o “idrogeno pesante”, con una massa di due. Il rapporto di questi isotopi è diverso nelle diverse parti del sistema solare. Il sole è fatto principalmente di idrogeno normale. Ma le comete, fatte soprattutto di roccia e ghiaccio, si sono formate molto più lontano dal sole e sono più ricche di deuterio. L’idrogeno nell’acqua della Terra è da qualche parte tra il sole e le comete.

Le misurazioni degli isotopi dell’idrogeno nelle condriti carbonacee corrispondono molto bene all’acqua della Terra. Questo ha dato credito all’idea che l’acqua della Terra provenisse dalle condriti. Ma quando è successo? Il problema era che le condriti avrebbero potuto portare l’acqua all’inizio, sbattendo contro il pianeta in crescita, o più tardi, colpendo la Terra dopo la sua formazione. Per saperlo, gli scienziati avevano bisogno di trovare l’acqua in rocce che si erano formate molto presto, nella stessa regione e nello stesso tempo della Terra.

Una fonte promettente era un tipo di roccia chiamata eucrite. Questi sono pezzi dell’asteroide Vesta che sono caduti sulla Terra sotto forma di meteoriti.

“Vesta si è completamente congelato e bloccato circa 14 milioni di anni dopo l’inizio del sistema solare, quindi ha ottenuto tutta la sua acqua prima di allora”, ha detto Sarafian. “All’epoca, la Terra era grande da un quarto alla metà e stava ancora crescendo.”

Per portare avanti la sua ricerca, Sarafian doveva saltare due ostacoli:

Un appetito per le apatiti

Per ottenere le eucriti, Sarafian ha presentato una petizione alle istituzioni che raccolgono campioni di meteoriti, come la NASA, lo Smithsonian Institution e l’American Museum of Natural History.

“Non è così facile”, ha detto Marschall. “Devi convincerli che vale la pena fare quello che vuoi fare. Lui li ha convinti, come studente, senza nemmeno l’appoggio di un’istituzione. Apprezzo molto la spinta e la motivazione di Adam.”

Poi è arrivata la misurazione. A differenza delle condriti, che sono rocce sedimentarie ricche d’acqua, Vesta e le eucriti sono fatte di basalto, molto simile alla roccia che compone il fondo del mare.

Sarafian ha appreso che il geologo dell’OMSI Nobu Shimizu aveva sviluppato una tecnica per misurare l’acqua intrappolata in sacche di vetro nelle rocce basaltiche del fondo del mare, utilizzando il Northeast National Ion Microprobe Facility all’OMSI. Sarafian voleva misurare l’acqua in un altro minerale comune sia nelle rocce del fondo marino che nei meteoriti: l’apatite. Così ha chiesto a Shimizu e al geologo dell’OMSI Henry Dick se poteva passare l’estate all’OMSI come studente ospite lavorando con loro “per prendere la tecnica che già avevano e modellarla per misurare l’acqua nelle apatiti.”

“Un sacco di gente nel campo planetario probabilmente avrebbe detto, ‘Non dovresti misurarla – le ucriti non hanno acqua al loro interno,’ ” ha detto Sarafian. Ma per la sua ricerca del master in Georgia, ha riportato per la prima volta la presenza di acqua nelle eucriti.

Questa impresa lo ha inesorabilmente portato alla domanda successiva: Qual è la fonte dell’acqua? Il che ha portato a un’altra grande sfida: misurare gli isotopi dell’idrogeno in concentrazioni estremamente basse di acqua.

Acqua, acqua ovunque

Dopo il suo master, Sarafian è tornato naturalmente al WHOI. Qui ha incontrato Marschall e un altro geologo dell’OMSI, Sune Nielsen. Lo hanno preso come studente ospite, per un’altra estate e poi un anno, per continuare la sua ricerca mentre faceva domanda per entrare nel programma congiunto MIT-WHOI. I due sono ora co-consiglieri di Sarafian per la sua ricerca di dottorato.

“Abbiamo anche un fantastico tecnico di laboratorio presso la struttura della microsonda ionica di nome Brian Monteleone”, ha detto Sarafian, “e abbiamo iniziato a capire come avremmo fatto le misurazioni. Brian dice sempre che i suoi progetti preferiti sono quelli in cui spingiamo la nostra macchina fino ai suoi limiti.”

Ci sono due problemi. In primo luogo, “stiamo misurando una quantità minima di acqua di meteorite, e dobbiamo assicurarci di non misurare nient’altro. Pensiamo costantemente che non vogliamo misurare alcuna acqua terrestre. E c’è acqua ovunque sulla Terra. Dobbiamo decontaminare la macchina nel miglior modo possibile”.

Mettono i campioni sotto un potente vuoto per una settimana o due per aspirare l’acqua. Poi i campioni vanno nella microsonda ionica in condizioni di ultra alto vuoto che risucchia virtualmente tutta l’aria e l’acqua. Praticamente tutto. I ricercatori devono ancora prendere misure meticolose di concentrazioni estremamente basse di qualsiasi idrogeno residuo, calcolando uno standard di idrogeno di base nella macchina e poi sottraendolo dai loro calcoli finali.

La buona notizia è che la struttura minerale dell’apatite impedisce la diffusione dell’acqua terrestre. Quindi l’acqua bloccata all’interno è meteorica. Ma le superfici rocciose possono ancora avere fessure infinitesimali che possono intrappolare quantità infinitesimali di acqua terrestre.

“Lucidiamo i campioni perfettamente piatti con il minimo di fessure possibili, e questo richiede un sacco di lucidatura”, ha detto.

Pronto, mira, fuoco. Ripeti.

La microsonda ionica concentra un fascio di ioni su un’area molto piccola di un campione, circa 10 micron di larghezza per 10 micron di lunghezza per 1 micron di profondità.

Il fascio sputa fuori ioni dal campione, che vengono spinti attraverso uno spettrometro di massa. Rileva e distingue gli ioni in base alla loro massa e carica – in questo caso, il rapporto tra ioni di idrogeno normali e pesanti.

“Analizziamo specificamente anche le crepe, per sapere quanta acqua potrebbe esserci e qual è il suo rapporto isotopico”, ha detto. “Quindi c’è un sacco di lavoro di messa a fuoco, allineamento e ripetizione dei nostri standard, e se il fascio è fuori di un po’, sono guai. Stiamo eseguendo molti standard ed eseguendo molte crepe. E ogni fessura che eseguiamo richiede un’ora. Ogni standard che eseguiamo richiede un’ora, e ogni tanto otteniamo un punto dati. È un lavoro minuzioso, e dobbiamo buttare via un bel po’ di analisi perché pensiamo che non siano abbastanza rigorose.”

Alla fine, il rapporto degli isotopi di idrogeno nelle eucriti era uguale a quello della Terra. “Questo significa che l’acqua del primissimo sistema solare, quando si sono formate le eucriti, era proprio come l’acqua sulla Terra oggi.”

Lo studio, pubblicato nell’ottobre 2014 sulla prestigiosa rivista Science, “mostra che l’acqua della Terra molto probabilmente si è formata allo stesso tempo della roccia che forma il pianeta”, ha detto Marschall. “

“La risposta è che i nostri oceani sono sempre stati qui”, ha detto Sarafian.

Leggere e scrivere

Sarafian è stato autore principale dell’articolo di Science, con i coautori Nielsen, Marschall, Monteleone e Francis McCubbin dell’Istituto di Meteoritica dell’Università del New Mexico. Questo gli ha fatto ricordare i suoi giorni al college, quando leggere un articolo scientifico era ancora una fatica.

“Una volta che ho iniziato a concentrarmi sulla geologia, ho detto, ‘Ho davvero bisogno di essere in grado di leggere’. C’era molto da rileggere i documenti, da evidenziare, da annotare a lato, ore e ore e ore di questo. All’inizio guardavo solo le figure e le didascalie. Ho cercato un sacco di parole.

“Mi sono chiuso nella mia stanza o nel mio ufficio e sono rimasto sveglio per molte ore a rileggere i documenti. Avevo un sacco a pelo e un tostapane in ufficio, e ci stavo parecchio. Lo consideravo come se stessi recuperando terreno rispetto a tutti gli altri, perché mi sentivo così indietro.

“C’è voluta una notevole quantità di tempo e l’aiuto di molte persone per essere in grado di leggere un articolo scientifico e ricavarne qualcosa. Alla fine, riuscivo a leggere gli articoli scientifici in modo rapido e approfondito per ricavarne tutte le informazioni. Ma non riesco ancora a leggere la narrativa. Credo di non essere disposto a dedicare così tanto tempo alla narrativa.”

Viaggiare ancora più indietro nel tempo

La strada della ricerca di Sarafian continua senza sosta. Ha iniziato ad analizzare campioni di meteoriti che sono 10 milioni di anni più vecchi delle eucriti. Questi frammenti meteoritici che occasionalmente sono caduti sulla Terra sono chiamati angriti, e si sono formati circa quattro milioni di anni dopo l’inizio del sistema solare.

“Se le angriti hanno gli stessi isotopi di idrogeno di Vesta e della Terra, significa che l’acqua si stava accumulando in questi corpi planetari per tutto il tempo che si stavano formando, quasi dal tempo zero”, ha detto. Sta anche studiando se altri elementi che sono essenziali per l’inizio della vita, come il carbonio e l’azoto, possono essere venuti insieme all’idrogeno sulle condriti carbonacee e sono stati consegnati presto alla Terra.

Sarafian sta ora trascorrendo molto del suo tempo al NASA-Johnson Space Center e al Carnegie Institute di Washington, dove sta utilizzando una struttura di sonda ionica specializzata nella misurazione di quantità estremamente basse di idrogeno e carbonio.

Nel frattempo, da qualche parte là fuori, Vesta sta ancora orbitando ai margini estremi del nostro sistema solare, e uno studente sta cercando la parola “eucrite”.

Questa ricerca è sostenuta da un WHOI Mellon Award for Innovative Research, dal WHOI’s Ocean Venture Fund, e da una borsa di studio della NASA.