Adam Sarafian kwam als afgestudeerd student naar het Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI) om te leren hoe de aarde überhaupt aan zijn oceaan kwam.

“De grote vraag is, hoe en wanneer kwam de planeet aan zijn water?” zei Horst Marschall, een van Sarafians Ph.D. adviseurs bij WHOI. “Alle volkeren hebben mythes over waar water vandaan komt. In Genesis in het Oude Testament, in Noorse mythen, en ook in Griekse mythen – het is een oude vraag.”

Het is een van de oudste vragen in het zonnestelsel, en er zijn twee mogelijke antwoorden, zei Sarafian: “Of de Aarde was gevormd en droog, wachtend op water, en het water kwam van kometen of andere natte lichamen die de Aarde relatief laat in de geschiedenis troffen. Of het water kwam uit het binnenste van de Aarde – wat betekent dat de Aarde haar water kreeg toen de Aarde nog gevormd werd, en dat vulkanen stoom en andere waterhoudende verbindingen naar het oppervlak uitstootten.”

Ironkelijk lagen de antwoorden op het mysterie niet in vloeibaar water, maar in vast gesteente. Sarafian en zijn collega’s volgden een moeizame weg om bewijsmateriaal te halen uit zeldzame monsters van oude meteorieten die op aarde waren gevallen.

Maar Sarafian was geen vreemde op het gebied van doorzettingsvermogen. Hij overwon een leerstoornis waardoor hij moeilijk kon lezen en overwon hoogtes als een All-American polsstokhoogspringer – dit alles voordat hij een wetenschappelijke carrière begon die hem nu in staat stelt door het heelal te razen en terug in de tijd naar de periode toen de aarde nog werd gevormd.

Hoogtes en hindernissen

In de derde klas werd bij Sarafian een leerstoornis geconstateerd. “Ik kon niet echt een paragraaf lezen en weten wat er in die paragraaf stond – geen enkele paragraaf,” zei hij. “In plaats van keuzevakken te nemen, nam ik lessen in het speciaal onderwijs. Het was een hele strijd op school, alleen maar om mezelf zover te krijgen dat ik kon lezen.”

Maar hij is behoorlijk goed geworden in atletiek. “Mijn moeder heeft een gymnastiekschool in Eatontown, New Jersey,” zei hij. “Ik ben opgegroeid in de gymzaal. Ik hing daar rond als mijn moeder aan het werk was.”

De atletiekcoach van zijn middelbare school overhaalde hem om polsstokhoogspringen te proberen, en dat deed hij op een lolletje.

“In mijn eerste jaar stelde ik me ten doel om de staatskampioenschappen te winnen,” zei hij. “Dus trainde ik non-stop.”

“Adam was nauwgezet in zijn voorbereiding en aandacht voor detail,” zei zijn coach, Mark DeSomma. “Hij kende alle regels en voorschriften. Tijdens onze conference kampioenschappen, informeerde hij de meeting director dat de polsstokhoogspring put niet reglementair was. De meet director vertelde hem: ‘Zoon, je kunt ervoor kiezen om te springen of niet springen, maar dat is onze pit en het gaat nergens heen.’ “

Sarafian brak vervolgens het staatsrecord van 1 meter 60, dat al 25 jaar stond. Vervolgens sprong hij tijdens het conferentiekampioenschap een meter of 2,5, waarbij hij het record met een verbazingwekkende 2,5 m overschreed.

Dat leverde hem een beurs voor polsstokhoogspringen op voor de University of Georgia, waar hij een NCAA All-American werd. In zijn laatste jaar liep hij echter blessures op.

“Ik brak mijn hand, toen ik een polsstok brak. En ik zei: ‘Het is mijn laatste jaar, ik kan net zo goed doorgaan. We tapen de hand wel af, het komt wel goed. Aan het eind van het seizoen, begonnen mijn voeten heel erg pijn te doen.” Sarafian voltooide zijn laatste twee maanden van zijn NCAA track-and-field carrière met breuken in beide voeten.

Track and fieldwork

Op de regionale kampioenschapsmeeting kon Sarafian nauwelijks lopen. “Na elke sprong kon ik niet eens van de mat aflopen. Ik kroop eraf. Ik dacht: ‘Nou, ik zal de nationals niet halen, maar het is een goede rit geweest.’ “

Hij was om een andere reden enigszins opgelucht. Op de universiteit was hij begonnen met het ontwikkelen van een andere passie: geologie. Om af te studeren in geologie moest hij twee maanden veldwerk doen, wat ongeveer op hetzelfde moment begon als de nationale kampioenschappen. “Dan komt de official langs en zegt: ‘Je bent door naar de nationals!’ “

In de voorrondes op de nationals waren zijn voeten zo gezwollen dat hij een grotere schoenmaat droeg.

Zijn voeten deden zo’n pijn dat hij het alleen kon verdragen om korte loopjes tot aan de bar te maken. “Ik had zoiets van: ‘Oké, laatste sprong, dit is het!’ Ik deed het, en zei: ‘Ik heb tenminste de nationale voorronde gehaald.’ Dan komt de official naar me toe en zegt, ‘Je bent door naar de finale!’ en ik heb zoiets van, ‘Neeeee! Ik moet veldwerk gaan doen. “

Op het laatste moment werd hij echter uit de competitie geschrapt. “Het was bitterzoet om te worden geschrapt, maar ik wist dat ik helemaal niet op mijn top was, en mijn lichaam was aan het breken. Ik keek naar de finale en juichte al mijn vrienden toe. Twee dagen later was ik in Alaska met wandelschoenen aan, bergen beklimmend en geologisch veldwerk aan het doen.”

“Het polsstokhoogspringen,” zei DeSomma, “is repetitief, afgemeten, met veel frustrerende dagen, ternauwernood gemiste pogingen, en mislukking na mislukking, tot die verbazingwekkende momenten van succes. Adam’s persoonlijkheid was er een van onophoudelijk streven naar uitmuntendheid.”

Sarafian kanaliseerde die energie in zijn wetenschappelijke carrière na het polsstokspringen.

In het begin

De vraag over de oorsprong van het water op aarde kwam voor het eerst naar voren in Sarafian’s undergraduate lessen en ging door toen hij een masteropleiding volgde aan Georgia. “Het antwoord was altijd ‘we weten het niet!’ “

In de begindagen van ons zonnestelsel, zo’n 4,6 miljard jaar geleden, waren de aarde en andere protoplaneten nog bezig vorm te krijgen, legde Sarafian uit. Binnen een bepaalde afstand van de zon was het te heet voor water om stabiel te blijven, en alle damp zou door zonnewinden naar buiten zijn geblazen. Voorbij een afstand die ver genoeg van de zon is, de zogenaamde “sneeuwgrens”, kon water bestaan in de vorm van ijs. Rondom de binnenrand van de sneeuwgrens lag een gordel van asteroïden, waaronder een grote asteroïde, Vesta genaamd. “Ongeveer 15 jaar geleden begonnen wetenschappers te denken dat het water op aarde misschien afkomstig was van koolstofhoudende chondrieten,” zei Sarafian. Dit is een type meteoriet dat veel water bevat. De hypothese was dat de baan van de enorme protoJupiter dichter naar de zon toe begon te bewegen. “Jupiter zei: ‘Ga uit mijn weg’ en al deze waterrijke koolstofhoudende chondrieten buiten de sneeuwlijn werden in de richting van de zon geslingerd, en alle binnenplaneten, Mercurius, Venus, Aarde en Mars. Ze zouden tegen Vesta of zelfs de aarde botsen en in de eerste 20 miljoen jaar na de vorming van het zonnestelsel in de rotsen van de binnenplaneten worden opgenomen.”

Dus begonnen wetenschappers het water op aarde te vergelijken met het water in koolstofhoudende chondrieten. De sleutel is waterstof, het meest overvloedige element in het heelal. Waterstof heeft twee isotopen: normale waterstof, met een massa van één, en deuterium of “zware waterstof”, met een massa van twee. De verhouding van deze isotopen verschilt in verschillende delen van het zonnestelsel. De zon bestaat voor het grootste deel uit normale waterstof. Maar kometen, die voornamelijk uit steen en ijs bestaan, zijn veel verder van de zon gevormd en zijn rijker aan deuterium. De waterstof in het water van de aarde zit ergens tussen die van de zon en die van de kometen in.

Metingen van waterstofisotopen in koolstofhoudende chondrieten kwamen heel goed overeen met het water van de aarde. Dat gaf geloofwaardigheid aan het idee dat het water op aarde afkomstig was van chondrieten. Maar wanneer is dit gebeurd? Het probleem was dat chondrieten vroeg water konden hebben aangevoerd en tegen de groeiende planeet konden zijn gebotst, of laat en de aarde na haar vorming konden hebben bekogeld. Om dat te weten te komen, moesten wetenschappers water vinden in gesteenten die al heel vroeg waren gevormd, in dezelfde regio en dezelfde tijd als de aarde.

Een veelbelovende bron was een type gesteente dat eucrieten wordt genoemd. Dit zijn stukjes van de asteroïde Vesta die in de vorm van meteorieten op de aarde zijn gevallen.

“Vesta is ongeveer 14 miljoen jaar na het begin van het zonnestelsel volledig bevroren en opgesloten, dus het heeft al zijn water vóór die tijd gekregen,” zei Sarafian. “Op dat moment was de aarde een kwart tot de helft van haar omvang en nog steeds groeiende.”

Om zijn zoektocht voort te zetten, moest Sarafian twee obstakels overwinnen: Hij moest zeldzame monsters van eucrieten zien te bemachtigen, en hij moest een manier vinden om het water daarin te meten.

Een honger naar apatieten

Om eucrieten te bemachtigen, diende Sarafian een verzoekschrift in bij instellingen die meteorietmonsters verzamelen, zoals de NASA, het Smithsonian Institution, en het American Museum of Natural History.

“Het is niet zo eenvoudig,” zei Marschall. “Je moet ze ervan overtuigen dat wat je wilt doen de moeite waard is. Hij overtuigde hen, als student, zonder zelfs maar de steun van een instelling. Ik waardeer Adam’s gedrevenheid en motivatie echt.”

Daarna kwamen de metingen. In tegenstelling tot chondrieten, die waterrijke sedimentgesteenten zijn, zijn Vesta en eucrieten gemaakt van basalt, vergelijkbaar met het gesteente waaruit de zeebodem is opgebouwd.

Sarafian hoorde dat de WHOI-geoloog Nobu Shimizu een techniek had ontwikkeld om water te meten dat gevangen zit in glaszakken in basaltgesteenten op de zeebodem, met behulp van de Northeast National Ion Microprobe Facility van de WHOI. Sarafian wilde water meten in een ander mineraal dat zowel in gesteenten op de zeebodem als in meteorieten voorkomt: apatiet. Dus vroeg hij Shimizu en WHOI-geoloog Henry Dick of hij de zomer bij WHOI kon doorbrengen als gaststudent om met hen samen te werken “om de techniek die zij al hadden te gebruiken om water in apatiet te meten.”

“Veel mensen in het planetaire veld zouden waarschijnlijk hebben gezegd: ‘Dat moet je niet meten – in apatiet zit geen water,'” zei Sarafian. Maar voor zijn onderzoek voor zijn masteropleiding aan Georgia rapporteerde hij voor het eerst de aanwezigheid van water in eucrieten.

Die prestatie leidde hem onverbiddelijk naar de volgende vraag: Wat is de bron van het water? En dat leidde weer tot een hoge horde: het meten van waterstofisotopen in extreem lage concentraties water.

Water, water everywhere

Na zijn masterdiploma ging Sarafian natuurlijk terug naar WHOI. Hier ontmoette hij Marschall en een andere geoloog van de WHOI, Sune Nielsen. Zij namen hem aan als gaststudent, voor nog een zomer en vervolgens een jaar, om zijn onderzoek voort te zetten terwijl hij solliciteerde voor toelating tot het MIT-WHOI Joint Program. De twee zijn nu Sarafians co-adviseurs voor zijn promotie-onderzoek.

“We hebben ook een geweldige laborant in de ion microprobe faciliteit, Brian Monteleone,” zei Sarafian, “en we begonnen uit te zoeken hoe we de metingen zouden gaan doen. Brian zegt altijd dat zijn favoriete projecten zijn wanneer we onze machine tot het uiterste drijven.”

Er zijn twee problemen. Ten eerste: “We meten een minieme hoeveelheid meteorietwater en we moeten ervoor zorgen dat we niets anders meten. We denken voortdurend dat we geen aards water willen meten. En er is overal water op aarde. We moeten de machine zo goed mogelijk ontsmetten.”

Ze zetten de monsters een week of twee onder een krachtig vacuüm om het water weg te zuigen. Dan gaan de monsters in de ion microprobe onder ultra-hoog vacuüm omstandigheden die vrijwel alle lucht en water wegzuigen. Vrijwel alles. De onderzoekers moeten nog steeds uiterst nauwkeurige metingen doen van extreem lage concentraties van eventueel achtergebleven waterstof, door in de machine een waterstofnorm te berekenen en die vervolgens uit hun definitieve berekeningen te halen.

Het goede nieuws is dat de minerale structuur van apatiet voorkomt dat aards water binnendringt. Dus al het water dat erin zit, is meteorisch water. Maar rotsoppervlakken kunnen nog steeds minuscule scheurtjes vertonen die oneindig kleine hoeveelheden aards water kunnen insluiten.

“We polijsten de monsters perfect vlak met zo min mogelijk scheurtjes, en dat vergt heel wat polijstwerk,” zei hij.

Klaar, richten, vuren.

De ionen-microsonde richt een ionenbundel op een zeer klein gebied van een monster, ongeveer 10 micron breed bij 10 micron lang bij 1 micron diep.

De bundel sputtert ionen uit het monster, die door een massaspectrometer worden gestuurd. Deze detecteert en onderscheidt de ionen op basis van hun massa en lading – in dit geval de verhouding tussen normale en zware waterstofionen.

“We analyseren ook specifiek de scheuren, om te weten hoeveel water erin zit en wat de isotopenverhouding daarvan is,” zei hij. “Het is dus een heleboel focussen, uitlijnen en opnieuw uitvoeren van onze standaarden, en als de bundel een klein beetje afwijkt, is dat een probleem. We werken met veel normen en scheuren. En elke scheur die we doen duurt een uur. Elke norm duurt een uur, en af en toe krijgen we een datapunt. Het is lastig, en we moeten heel wat analyses weggooien omdat we ze niet rigoureus genoeg vinden.”

Eindelijk leek de waterstofisotopenverhouding in de eucrieten precies op die van de aarde. “Dit betekent dat het water in het zeer vroege zonnestelsel, toen eucrieten werden gevormd, net zo was als het water op aarde vandaag.”

De studie, gepubliceerd oktober 2014 in het prestigieuze
tijdschrift Science, “laat zien dat het water van de aarde hoogstwaarschijnlijk
op hetzelfde moment is ontstaan als het gesteente dat de planeet vormde,” aldus Marschall. “De planeet vormde zich als een natte planeet met water aan het oppervlak.”

“Het antwoord is dat onze oceanen er altijd al waren,” zei Sarafian.

Lezen en schrijven

Sarafian was hoofdauteur van het Science-paper, met co-auteurs Nielsen, Marschall, Monteleone, en Francis McCubbin van het University of New Mexico Institute of Meteoritics. Dat deed hem terugdenken aan zijn studententijd, toen het lezen van een wetenschappelijk artikel nog een hele toer was.

“Toen ik me eenmaal op geologie ging richten, zei ik: ‘Ik moet echt kunnen lezen.’ Er was veel herlezen, markeren, noteren aan de zijkant – uren en uren en uren van dat. In het begin keek ik alleen naar de figuren en de bijschriften. Ik zocht veel woorden op.

“Ik sloot mezelf op in mijn kamer of mijn kantoor en bleef lange uren op om papieren te herlezen. Ik had een slaapzak en een toaster oven in mijn kantoor, en ik was daar vaak. Ik zag dat als het inhalen van mijn achterstand op de rest, want ik voelde me zo achterlopen.

“Het kostte veel tijd en hulp van veel mensen om een wetenschappelijk artikel te kunnen lezen en er iets uit te kunnen halen. Uiteindelijk kon ik wetenschappelijke artikelen snel en grondig lezen om alle informatie eruit te halen. Maar fictie kan ik nog steeds helemaal niet lezen. Ik denk dat ik niet bereid ben om zoveel tijd in fictie te steken.”

Verder terug in de tijd

Sarafians onderzoeksweg gaat gestaag door. Hij is begonnen met het analyseren van monsters van meteoren die 10 miljoen jaar ouder zijn dan eucrieten. Deze meteorietbrokken die af en toe op de aarde zijn gevallen, worden angrieten genoemd, en ze zijn ongeveer vier miljoen jaar na het ontstaan van het zonnestelsel gevormd.

“Als angrieten dezelfde waterstofisotopen hebben als Vesta en de aarde, betekent dit dat er water in deze planetaire lichamen is terechtgekomen gedurende de tijd dat ze gevormd werden, bijna vanaf het nulpunt,” zei hij. Hij onderzoekt ook of andere elementen die essentieel zijn voor het ontstaan van leven, zoals koolstof en stikstof, misschien ook zijn meegekomen met waterstof op koolstofhoudende chondrieten en vroeg op aarde zijn afgeleverd.

Sarafian brengt nu een groot deel van zijn tijd door in het NASA-Johnson Space Center en in het Carnegie Institute in Washington, waar hij gebruik maakt van een ionensonde-installatie die gespecialiseerd is in het meten van extreem lage hoeveelheden waterstof en koolstof.

In de tussentijd draait Vesta nog steeds rond de verre randen van ons zonnestelsel en zoekt een student het woord “eucriet” op.

Dit onderzoek wordt gesteund door een WHOI Mellon Award for Innovative Research, het Ocean Venture Fund van WHOI en een NASA-beurs voor afgestudeerden.