Adam Sarafian przybył do Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI) jako student studiów magisterskich, aby dowiedzieć się, jak Ziemia w ogóle otrzymała swój ocean.

„Wielkie pytanie brzmi: jak i kiedy planeta otrzymała swoją wodę?” powiedział Horst Marschall, jeden z doradców doktoranta Sarafiana w WHOI. „Wszystkie ludy mają mity o tym, skąd wzięła się woda. W Księdze Rodzaju w Starym Testamencie, w mitach nordyckich, w mitach greckich również – to stare pytanie.”

Indeed, to jedno z najstarszych pytań w układzie słonecznym, i są dwie możliwe odpowiedzi, Sarafian powiedział: „Albo Ziemia była uformowana i sucha, siedziała tam, czekając na wodę, a woda pochodziła z komet lub innych mokrych ciał uderzających w Ziemię stosunkowo późno w historii. Albo woda pochodziła z wnętrza Ziemi – co oznacza, że Ziemia otrzymała wodę podczas formowania się Ziemi, a następnie wulkany wygazowały parę wodną i inne związki zawierające wodę na powierzchnię.”

Ironicznie, odpowiedzi na zagadkę nie leżały w ciekłej wodzie, ale w stałych skałach. Sarafian i współpracownicy przeszli żmudną drogę, by wydobyć dowody z rzadkich próbek starożytnych meteorytów, które spadły na Ziemię.

Ale Sarafianowi nie obca była wytrwałość. Przezwyciężył trudności w nauce, które utrudniają mu czytanie i pokonywał wysokości jako amerykański tyczkarz – wszystko to przed rozpoczęciem kariery naukowej, która pozwoliła mu na podróż przez wszechświat i cofnięcie się w czasie do okresu, kiedy Ziemia jeszcze się formowała.

Wysokości i przeszkody

W trzeciej klasie u Sarafiana zdiagnozowano trudności w nauce. „Nie byłem w stanie przeczytać paragrafu i wiedzieć, co on mówi – jakiegokolwiek paragrafu”, powiedział. „Zamiast brać przedmioty do wyboru, wziąłem zajęcia z edukacji specjalnej. To była walka przez całą szkołę – tylko próbując dostać się do mnie, aby być w stanie czytać.”

Ale on dostał się do być całkiem dobry w sporcie. „Moja matka jest właścicielką szkoły gimnastyki w Eatontown, New Jersey,” powiedział. „Dorastałem w sali gimnastycznej. Kiedy moja mama pracowała, ja spędzałem tam czas i bawiłem się.”

Trener toru w szkole średniej namówił go, aby spróbował skoku o tyczce, i jak na zawołanie, zrobił to.”

„W moim młodszym roku, postawiłem sobie za cel wygranie mistrzostw stanowych,” powiedział. „Więc trenowałem non stop.”

„Adam był skrupulatny w swoich przygotowaniach i zwracał uwagę na szczegóły”, powiedział jego trener, Mark DeSomma. „Znał wszystkie zasady i przepisy. Na naszym spotkaniu o mistrzostwo konferencji poinformował dyrektora spotkania, że stanowisko do skoku o tyczce nie jest zgodne z przepisami. Dyrektor spotkania powiedział mu: 'Synu, możesz skakać lub nie skakać, ale to jest nasz dół i nigdzie się nie wybiera'. „

Sarafian przystąpił do łamania rekordu stanu 16 stóp 6 cali, który stał przez 25 lat. Następnie skoczył na 17 stóp 4 i pół cala na mistrzostwach konferencji, przeskakując rekord o zdumiewające 10 i pół cala.

To przyniosło mu stypendium w skoku o tyczce na Uniwersytecie w Georgii, gdzie stał się amerykańskim mistrzem NCAA. Jednak w ostatnim roku jego kariery pojawiły się kontuzje.

„Złamałem rękę, kiedy złamałem tyczkę. I powiedziałem, 'To mój ostatni rok, równie dobrze mogę po prostu kontynuować. Zakleimy rękę taśmą, będzie dobrze. Pod koniec sezonu zaczęły mnie bardzo boleć stopy.” Sarafian zakończył ostatnie dwa miesiące swojej kariery w NCAA track-and-field ze złamaniami w obu stopach.

Track and fieldwork

Na regionalnym spotkaniu mistrzostw, Sarafian ledwo mógł chodzić. „Po każdym skoku nie mogłem nawet zejść z maty. Czołgałem się. Pomyślałem: 'Cóż, nie dostanę się na zawody krajowe, ale to była dobra jazda'. „

Przyszedł z ulgą z innego powodu. W college’u zaczął rozwijać inną pasję: geologię. Ukończenie studiów z tytułem geologa wymagało dwóch miesięcy pracy w terenie, która zaczynała się mniej więcej w tym samym czasie, co spotkanie mistrzostw kraju. „Wtedy przychodzi urzędnik i mówi: 'Udało ci się dostać na zawody krajowe! „

W preeliminacjach na mistrzostwach krajowych, jego stopy były tak spuchnięte, że nosił większy rozmiar buta.

Jego stopy bolały tak bardzo, że mógł znieść tylko krótkie biegi do baru. „Byłem jak, 'W porządku, ostatni skok, to jest to!' Zrobiłem go i powiedziałem: 'Przynajmniej udało mi się dostać do eliminacji krajowych'. Wtedy urzędnik podchodzi i mówi, 'Udało ci się dostać do finałów!', a ja na to, 'Nieeee! Muszę iść do pracy w terenie. „

W ostatniej chwili, jednak, został wycięty z konkursu. „To był słodko-gorzki dzień, ale wiedziałem, że nie jestem na szczycie, a moje ciało się łamie. Oglądałem finały i kibicowałem wszystkim moim przyjaciołom. Dwa dni później byłem na Alasce w butach turystycznych, wspinając się po górach i prowadząc badania geologiczne.”

„Zawody w skoku o tyczce” – powiedział DeSomma – „są powtarzalne, mierzone, z wieloma frustrującymi dniami, mało udanymi próbami i porażką za porażką, aż do tych niesamowitych chwil sukcesu. Osobowość Adama była nieustannym dążeniem do doskonałości.”

Sarafian skierował tę energię na swoją karierę naukową po skoku wzwyż.

Na początku

Pytanie o pochodzenie wody na Ziemi po raz pierwszy pojawiło się na zajęciach licencjackich Sarafiana i było kontynuowane podczas studiów magisterskich w Georgii. „Odpowiedź zawsze brzmiała 'nie wiemy!' „

W początkach naszego Układu Słonecznego, około 4,6 miliarda lat temu, Ziemia i inne protoplanety wciąż nabierały kształtów, wyjaśnił Sarafian. W pewnej odległości od Słońca, było zbyt gorąco dla wody, aby pozostała stabilna, a wszelka para wodna została zdmuchnięta przez wiatry słoneczne. Za odległością wystarczająco dużą od Słońca, zwaną „linią śniegu”, woda mogła istnieć w postaci lodu. Wokół wewnętrznej krawędzi linii śniegu znajdował się pas asteroid, w skład którego wchodziła duża Westa. „To prawie jak planeta, która nie uformowała się w pełni”, powiedział.

Około 15 lat temu, „naukowcy zaczęli myśleć, że może ziemska woda pochodzi z chondrytów węglowych”, powiedział Sarafian. Są to rodzaje meteorytów, które zawierają dużo wody. Hipoteza była taka, że orbita ogromnego proto-Jowisza zaczęła migrować bliżej Słońca. „Jowisz powiedział, 'Zejdź mi z drogi' i wszystkie te bogate w wodę węglowe chondryty poza linią śniegu zostały wyrzucone w kierunku słońca i wszystkich planet wewnętrznych, Merkurego, Wenus, Ziemi i Marsa. Uderzyłyby w Westę lub nawet w Ziemię i zostałyby włączone do skał na wewnętrznych planetach w ciągu pierwszych 20 milionów lat formowania się Układu Słonecznego.”

Naukowcy zaczęli więc porównywać wodę ziemską z wodą w chondrytach węglowych. Kluczem jest wodór, najobficiej występujący pierwiastek we wszechświecie. Wodór ma dwa izotopy – zwykły wodór, o masie jeden, i deuter lub „ciężki wodór”, o masie dwa. Stosunek tych izotopów różni się w różnych częściach Układu Słonecznego. Słońce jest zbudowane głównie z normalnego wodoru. Ale komety, zbudowane głównie ze skał i lodu, powstały znacznie dalej od Słońca i są bogatsze w deuter. The wodór w Ziemia woda być gdzieś między the słońce i comets.

Pomiary wodór izotop w węglowy chondryt dopasowywać bardzo dobrze z Ziemia woda. To dało wiarę idei, że ziemska woda pochodzi z chondrytów. Ale kiedy to się stało? Problem polegał na tym, że chondryty mogły przynieść wodę wcześnie, uderzając w rosnącą planetę, lub późno, obrzucając Ziemię po jej uformowaniu. Aby to wiedzieć, naukowcy musieli znaleźć wodę w skałach, które uformowały się bardzo wcześnie, w tym samym regionie i czasie co Ziemia.

Obiecującym źródłem był rodzaj skał zwanych eukrytami. Są to kawałki asteroidy Westa, które spadły na Ziemię w postaci meteorytów.

„Westa całkowicie zamarzła i zablokowała się około 14 milionów lat po rozpoczęciu istnienia Układu Słonecznego, więc dostała całą swoją wodę wcześniej”, powiedział Sarafian. „W tym czasie Ziemia była jedną czwartą do jednej połowy jej rozmiaru i wciąż rosła.”

Aby realizować swoje zadanie, Sarafian musiał przeskoczyć dwie przeszkody: Musiał zdobyć rzadkie próbki eukrytów i musiał znaleźć sposób na zmierzenie w nich wody.

Apetyt na apatyty

Aby zdobyć eukryty, Sarafian wystosował petycję do instytucji, które zbierają próbki meteorytów, takich jak NASA, Smithsonian Institution i American Museum of Natural History.

„To nie jest takie proste”, powiedział Marschall. „Musisz ich przekonać, że to, co chcesz zrobić, jest warte zrobienia. On przekonał ich, jako student, nie mając nawet wsparcia instytucji. Naprawdę doceniam napęd i motywację Adama.”

Następnie przyszedł czas na pomiary. W przeciwieństwie do chondrytów, które są bogatymi w wodę skałami osadowymi, Westa i eukryty zbudowane są z bazaltu, podobnie jak skały tworzące dno morskie.

Sarafian dowiedział się, że geolog z WHOI, Nobu Shimizu, opracował technikę pomiaru wody uwięzionej w kieszeniach szklanych w bazaltowych skałach dna morskiego, wykorzystując Northeast National Ion Microprobe Facility w WHOI. Sarafian chciał zmierzyć wodę w innym minerale powszechnie występującym zarówno w skałach dna morskiego, jak i w meteorytach: apatycie. Zapytał więc Shimizu i geologa WHOI Henry’ego Dicka, czy mógłby spędzić lato w WHOI jako student gościnny, pracując z nimi, „aby wykorzystać technikę, którą już dysponowali i ukształtować ją w kierunku pomiaru wody w apatytach.”

„Wiele osób z dziedziny planetarnej prawdopodobnie powiedziałoby: 'Nie powinieneś tego mierzyć – apatyty nie mają w sobie wody'”, powiedział Sarafian. Ale w ramach swoich badań magisterskich w Georgii, po raz pierwszy stwierdził obecność wody w eukrytach.

Ten wyczyn nieubłaganie doprowadził go do kolejnego pytania: Jakie jest źródło tej wody? Co doprowadziło do kolejnej wysokiej poprzeczki do pokonania: pomiar izotopów wodoru w ekstremalnie niskich stężeniach wody.

Woda, woda wszędzie

Po uzyskaniu tytułu magistra, Sarafian naturalnie wrócił do WHOI. Tutaj poznał Marschalla i innego geologa WHOI, Sune Nielsen. Przyjęli go jako studenta gościnnego na kolejne lato, a potem na rok, by kontynuować jego badania, podczas gdy on ubiegał się o przyjęcie do wspólnego programu MIT-WHOI. Ci dwaj są teraz opiekunami Sarafiana w jego badaniach doktoranckich.

„Mamy również wspaniałego laboranta w zakładzie mikrosond jonowych o imieniu Brian Monteleone”, powiedział Sarafian, „i zaczęliśmy zastanawiać się, jak będziemy wykonywać pomiary. Brian zawsze mówi, że jego ulubione projekty to te, w których doprowadzamy naszą maszynę do granic możliwości.”

Są dwa problemy. Po pierwsze, „mierzymy niewielką ilość wody z meteorytu i musimy się upewnić, że nie mierzymy niczego innego. Ciągle myślimy o tym, że nie chcemy mierzyć żadnej ziemskiej wody. A woda jest wszędzie na Ziemi. Musimy odkazić maszynę najlepiej jak potrafimy.”

Poddają próbki potężnej próżni na tydzień lub dwa, aby odessać wodę. Następnie próbki trafiają do mikroprobówki jonowej w warunkach ultrawysokiej próżni, która odsysa praktycznie całe powietrze i wodę. Praktycznie wszystko. Badacze wciąż muszą wykonywać skrupulatne pomiary ekstremalnie niskich stężeń pozostałego wodoru, obliczając bazowy standard wodoru w maszynie, a następnie odejmując go od ostatecznych obliczeń.

Dobrą wiadomością jest to, że mineralna struktura apatytu zapobiega dyfuzji ziemskiej wody. Więc każda woda zamknięta w środku jest meteoryczna. Ale powierzchnie skalne wciąż mogą mieć nieskończenie małe pęknięcia, które mogą uwięzić nieskończenie małe ilości ziemskiej wody.

„Polerujemy próbki idealnie płasko z minimalną ilością pęknięć, a to wymaga dużo polerowania,” powiedział.

Przygotuj, wyceluj, strzelaj. Powtórzenie.

Mikrosonda jonowa skupia wiązkę jonów na bardzo małym obszarze próbki, około 10 mikronów szerokości na 10 mikronów długości na 1 mikron głębokości.

Wiązka wypluwa jony z próbki, które są przesuwane przez spektrometr masowy. Wykrywa on i rozróżnia jony na podstawie ich masy i ładunku – w tym przypadku, stosunku normalnych do ciężkich jonów wodorowych.

„Specjalnie analizujemy również pęknięcia, aby wiedzieć ile wody może się w nich znajdować i jaki jest jej stosunek izotopowy,” powiedział. „Więc jest to dużo skupiania się, wyrównywania i ponownego uruchamiania naszych standardów, a jeśli wiązka jest off o trochę, to jest to problem. Pracujemy z wieloma standardami i wieloma pęknięciami. Każde pęknięcie, które wykonujemy trwa godzinę. Każdy standard to godzina, a raz na jakiś czas dostajemy punkt danych. Jest to żmudne i musimy wyrzucić sporo analiz, ponieważ nie uważamy, że są one wystarczająco rygorystyczne.”

W końcu stosunek izotopów wodoru w eukrytach wyglądał tak samo jak ziemski. „Oznacza to, że woda w bardzo wczesnym Układzie Słonecznym, kiedy powstawały eukryty, była taka sama jak woda na Ziemi dzisiaj.”

Badanie, opublikowane w październiku 2014 roku w prestiżowym
dzienniku Science, „pokazuje, że ziemska woda najprawdopodobniej
akreowała w tym samym czasie, co skały tworzące planetę” – powiedział Marschall. „Planeta uformowała się jako mokra planeta z wodą na powierzchni.”

„Odpowiedź jest taka, że nasze oceany zawsze tu były”, powiedział Sarafian.

Czytanie i pisanie

Sarafian był głównym autorem pracy w Science, z współautorami Nielsenem, Marschallem, Monteleone i Francisem McCubbinem z Instytutu Meteorytów Uniwersytetu Nowego Meksyku. To sprawiło, że przypomniał sobie czasy studiów, kiedy czytanie pracy naukowej było jeszcze męczarnią.

„Kiedy zacząłem skupiać się na geologii, powiedziałem: 'Naprawdę muszę umieć czytać'. Było dużo ponownego czytania papierów, podkreślania, notowania na boku – godziny i godziny i godziny tego. Na początku patrzyłem tylko na rysunki i podpisy. I looked up a lot of words.

„I locked myself in my room or my office and just stayed up long hours rereading papers. Miałem śpiwór i toster w biurze, i byłem tam dość często. Postrzegałem to jako dogonienie wszystkich innych, ponieważ czułem się tak bardzo z tyłu.

„Zajęło to znaczną ilość czasu i wiele osób pomagało, aby być w stanie przeczytać pracę naukową i wyciągnąć z niej cokolwiek. W końcu mogłem czytać prace naukowe szybko i dokładnie, aby wydobyć z nich wszystkie informacje. Ale nadal nie potrafię czytać beletrystyki. Chyba nie chce mi się poświęcać tyle czasu na beletrystykę.”

Podróż w czasie

Droga badawcza Sarafiana biegnie dalej pełną parą. Zaczął on analizować próbki meteorów, które są o 10 milionów lat starsze od eukrytów. Te meteorytowe kawałki, które od czasu do czasu spadały na Ziemię nazywane są angrytami i powstały około czterech milionów lat po powstaniu Układu Słonecznego.

„Jeśli angryty mają te same izotopy wodoru co Vesta i Ziemia, oznacza to, że woda była akrementowana do tych ciał planetarnych przez cały czas ich formowania, niemal od zera” – powiedział. Bada on również, czy inne pierwiastki, które są niezbędne do powstania życia, takie jak węgiel i azot, mogły również przybyć na przejażdżkę z wodorem na chondrytach węglowych i zostać wcześnie dostarczone na Ziemię.

Sarafian spędza teraz większość czasu w Centrum Kosmicznym NASA-Johnson oraz w Instytucie Carnegie w Waszyngtonie, gdzie używa sondy jonowej, która specjalizuje się w pomiarach ekstremalnie niskich ilości wodoru i węgla.

W międzyczasie, gdzieś tam, Westa nadal orbituje na dalekich rubieżach naszego Układu Słonecznego, a pewien student szuka słowa „eukryt”.”

Badania te są wspierane przez WHOI Mellon Award for Innovative Research, WHOI’s Ocean Venture Fund oraz stypendium absolwenta NASA.

Badania te są wspierane przez WHOI Mellon Award for Innovative Research, WHOI’s Ocean Venture Fund oraz stypendium absolwenta NASA.