Darimanakah Asal Karbon di Bumi?

Studi pertama, yang dipimpin oleh peneliti U-M Jie (Jackie) Li dan diterbitkan di Science Advances, menemukan bahwa sebagian besar karbon di Bumi kemungkinan besar dikirim dari medium antarbintang, bahan yang ada di ruang angkasa antar bintang di galaksi. Ini kemungkinan besar terjadi setelah piringan protoplanet, awan debu dan gas yang mengelilingi matahari muda kita dan berisi bahan penyusun planet, terbentuk dan memanas.

Karbon juga kemungkinan besar diasingkan menjadi padatan dalam waktu satu juta tahun setelah matahari lahir – yang berarti karbon, tulang punggung kehidupan di bumi, selamat dari perjalanan antarbintang ke planet kita.

Sebelumnya, para peneliti mengira karbon di bumi berasal dari molekul yang awalnya ada di gas nebular, yang kemudian menjadi padat ketika gas cukup dingin untuk diendapkan molekul. Li dan timnya, termasuk astronom UM Edwin Bergin, Geoffrey Blake dari California Institute of Technology, Fred Ciesla dari University of Chicago dan Marc Hirschmann dari University of Minnesota, menunjukkan dalam studi ini bahwa molekul gas yang membawa karbon tidak tersedia untuk membangun Bumi karena sekali karbon menguap, ia tidak mengembun kembali menjadi padat.

“Model kondensasi telah digunakan secara luas selama beberapa dekade. Model ini mengasumsikan bahwa selama pembentukan matahari, semua elemen planet menguap, dan saat cakram mendingin, beberapa gas ini mengembun dan memasok bahan kimia ke benda padat. Tapi itu tidak bekerja untuk karbon, “kata Li, seorang profesor di Departemen Ilmu Bumi dan Lingkungan UM.

Sebagian besar karbon dikirim ke cakram dalam bentuk molekul organik. Namun, ketika karbon diuapkan, ia menghasilkan spesies yang jauh lebih mudah menguap yang membutuhkan suhu yang sangat rendah untuk membentuk padatan. Lebih penting lagi, karbon tidak mengembun kembali menjadi bentuk organik. Karena itu, Li dan timnya menyimpulkan sebagian besar karbon bumi kemungkinan diwarisi langsung dari medium antarbintang, menghindari penguapan sepenuhnya.

Untuk lebih memahami bagaimana Bumi memperoleh karbonnya, Li memperkirakan jumlah maksimum karbon yang dapat dikandung Bumi. Untuk melakukan ini, dia membandingkan seberapa cepat gelombang seismik bergerak melalui inti ke kecepatan suara inti yang diketahui. Ini memberi tahu para peneliti bahwa karbon kemungkinan membentuk kurang dari setengah persen massa Bumi. Memahami batas atas berapa banyak karbon yang mungkin terkandung di Bumi memberi tahu para peneliti informasi tentang kapan karbon mungkin telah dikirim ke sini.

“Kami mengajukan pertanyaan yang berbeda: Kami bertanya berapa banyak karbon yang dapat Anda masukkan ke inti bumi dan tetap konsisten dengan semua kendala,” kata Bergin, profesor dan ketua Departemen Astronomi U-M. “Ada ketidakpastian di sini. Mari kita merangkul ketidakpastian untuk bertanya apa batas atas sebenarnya untuk berapa banyak karbon sangat dalam di Bumi, dan itu akan memberi tahu kita lanskap sebenarnya di mana kita berada.”

Karbon sebuah planet harus ada dalam proporsi yang tepat untuk mendukung kehidupan seperti yang kita ketahui. Terlalu banyak karbon atmosfer bumi akan menjadi seperti Venus, memerangkap panas dari matahari dan mempertahankan suhu sekitar 880 derajat Fahrenheit. Terlalu sedikit karbon,  Bumi akan menyerupai Mars tempat tidak bersahabat yang tidak dapat mendukung kehidupan berbasis air, dengan suhu sekitar minus 60.

Dalam studi kedua oleh kelompok penulis yang sama, tetapi dipimpin oleh Hirschmann dari University of Minnesota, para peneliti melihat bagaimana karbon diproses ketika prekursor kecil planet, yang dikenal sebagai planetesimal, menahan karbon selama pembentukan awal mereka. Dengan memeriksa inti logam dari benda-benda ini, yang sekarang diawetkan sebagai meteorit besi, mereka menemukan bahwa selama langkah kunci asal mula planet ini, sebagian besar karbon harus hilang saat planetesimal mencair, membentuk inti, dan kehilangan gas. Ini membalikkan pemikiran sebelumnya, kata Hirschmann.

“Sebagian besar model memiliki karbon dan bahan penting kehidupan lainnya seperti air dan nitrogen yang mengalir dari nebula menjadi benda berbatu primitif, dan ini kemudian dikirim ke planet yang sedang berkembang seperti Bumi atau Mars,” kata Hirschmann, profesor ilmu bumi dan lingkungan . “Tapi ini melewatkan langkah kunci, di mana planetesimal kehilangan banyak karbon sebelum mereka bertambah ke planet.”

Studi Hirschmann baru-baru ini diterbitkan dalam Prosiding National Academy of Sciences.

“Planet ini membutuhkan karbon untuk mengatur iklimnya dan memungkinkan adanya kehidupan, tapi itu hal yang sangat rumit,” kata Bergin. “Anda tidak ingin memiliki terlalu sedikit, tetapi Anda tidak ingin memiliki terlalu banyak.”

Bergin mengatakan kedua studi tersebut menggambarkan dua aspek yang berbeda dari kehilangan karbon – dan menunjukkan bahwa kehilangan karbon tampaknya menjadi aspek sentral dalam membangun Bumi sebagai planet yang dapat dihuni.

“Menjawab ada atau tidaknya planet mirip Bumi di tempat lain hanya dapat dicapai dengan bekerja di persimpangan disiplin ilmu seperti astronomi dan geokimia,” kata Ciesla, profesor ilmu geofisika dari Universitas C. “Meskipun pendekatan dan pertanyaan spesifik yang ingin dijawab oleh para peneliti berbeda di semua bidang, membangun cerita yang koheren membutuhkan pengidentifikasian topik yang menjadi kepentingan bersama dan menemukan cara untuk menjembatani kesenjangan intelektual di antara mereka. Melakukan hal itu menantang, tetapi upaya tersebut merangsang dan sekaligus bermanfaat.”

“Sepanjang sejarah galaksi kita sendiri, planet berbatu seperti Bumi atau sedikit lebih besar telah berkumpul ratusan juta kali mengelilingi bintang seperti Matahari,” katanya. “Bisakah kita memperluas pekerjaan ini untuk memeriksa kehilangan karbon dalam sistem planet secara lebih luas? Penelitian semacam itu akan membutuhkan beragam komunitas cendekiawan.”

Penelitian ini didanai oleh National Science Foundation, Program Penelitian Exoplanet NASA, Program Emerging Worlds NASA, dan Program Astrobiology NASA.

Jurnal Referensi:

• J. Li, E. A. Bergin, G. A. Blake, F. J. Ciesla, M. M. Hirschmann. 2021. Earth’s carbon deficit caused by early loss through irreversible sublimation. Science Advances, 2021; 7 (14): eabd3632 DOI: 10.1126/sciadv.abd3632
• Marc M. Hirschmann, Edwin A. Bergin, Geoff A. Blake, Fred J. Ciesla, Jie Li. Early volatile depletion on planetesimals inferred from C–S systematics of iron meteorite parent bodies. 2021. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2021; 118 (13): e2026779118 DOI: 10.1073/pnas.2026779118