Un gruppo di geologi scopre la prima prova dell'esistenza di una "proto-Terra" vecchia di 4,5 miliardi di anni

Scienziati del MIT, Massachusetts Institute of Technology, e di altri centri di ricerca hanno scoperto resti estremamente rari della "proto-Terra", che si formò circa 4,5 miliardi di anni fa, prima che una colossale collisione alterasse irreversibilmente la composizione del pianeta primitivo e desse origine alla Terra così come la conosciamo oggi.

I risultati, pubblicati sulla rivista Nature Geosciences, aiuteranno gli scienziati a ricostruire gli ingredienti iniziali che hanno forgiato la Terra primitiva e il resto del sistema solare.

L’origine della proto-Terra: l’impatto gigante

Milioni di anni fa, il sistema solare primitivo era un disco rotante di gas e polvere che alla fine si aggregarono e si accumularono fino a formare i primi meteoriti, i quali a loro volta si fusero per dare origine alla proto-Terra e ai pianeti vicini.

In questa fase iniziale, la Terra era probabilmente rocciosa e ribollente di lava. Poi, meno di 100 milioni di anni dopo, un meteorite delle dimensioni di Marte impattò contro il giovane pianeta in un singolare “impatto gigante” che distrusse e fuse completamente il suo interno, modificandone la composizione chimica. Si riteneva che il materiale originario della proto-Terra fosse stato completamente trasformato.

Ma le scoperte del team del MIT suggeriscono il contrario. I ricercatori hanno identificato una firma chimica in rocce antiche unica rispetto alla maggior parte dei materiali presenti oggi sulla Terra.

Questa firma si manifesta sotto forma di un sottile disequilibrio negli isotopi del potassio scoperto in campioni di rocce molto antiche e profonde. Il team ha determinato che tale disequilibrio non poteva essere stato prodotto da nessun grande impatto precedente né da processi geologici attuali.

La spiegazione più probabile è che si tratti di materiale residuo della proto-Terra che in qualche modo è rimasto inalterato, anche dopo l’impatto e la trasformazione del pianeta primitivo.

"Questa è forse la prima prova diretta che abbiamo conservato materiali della proto-Terra", afferma Nicole Nie, professoressa associata al MIT nel Dipartimento di Scienze della Terra e Planetarie. "Vediamo un frammento della Terra antichissima, addirittura anteriore al grande impatto. È straordinario, perché ci si aspetterebbe che un’impronta così antica fosse cancellata dall’evoluzione della Terra".

Una curiosa anomalia

Nel 2023, Nie e i suoi colleghi hanno analizzato numerosi meteoriti raccolti in varie parti del mondo. Prima di impattare la Terra, questi meteoriti si erano probabilmente formati in momenti e luoghi diversi del sistema solare e rappresentano quindi le condizioni variabili del sistema solare nel tempo. Confrontando la composizione chimica di questi meteoriti con quella della Terra, hanno identificato un’anomalia isotopica del potassio.

Gli isotopi sono versioni leggermente diverse di un elemento, con lo stesso numero di protoni ma un numero diverso di neutroni. Il potassio può esistere in tre isotopi naturali, con numeri di massa (protoni + neutroni) di 39, 40 e 41. Ovunque si trovi sulla Terra, il potassio è presente in una combinazione caratteristica di isotopi: il potassio-39 e il potassio-41 sono predominanti, mentre il potassio-40 è presente solo in tracce.

Nie e i colleghi hanno scoperto che i meteoriti studiati presentavano rapporti isotopici del potassio diversi rispetto alla maggior parte dei materiali terrestri. Questa anomalia suggeriva che qualsiasi materiale con una simile impronta isotopica fosse anteriore alla composizione attuale della Terra. In altre parole, un disequilibrio di potassio sarebbe un chiaro segno di materiale proveniente dalla proto-Terra, prima che il grande impatto ne modificasse la composizione.

"In quello studio abbiamo scoperto che diversi meteoriti hanno diverse firme isotopiche del potassio, e questo significa che il potassio può essere usato come tracciante dei mattoni fondamentali della Terra", spiega Nie.

"Costruiti in modo diverso"

Nello studio attuale, il team ha cercato indizi di anomalie del potassio non nei meteoriti, ma all’interno della Terra stessa. I campioni analizzati provengono da rocce polverizzate di Groenlandia e Canada, dove si trovano alcune delle rocce più antiche conservate, e da depositi lavici raccolti alle Hawaii, dove i vulcani portano in superficie materiali molto profondi e antichi del mantello terrestre.

"Se questa firma del potassio è conservata, dovremmo cercarla nelle profondità del tempo e nelle profondità della Terra", afferma Nie.

Il team ha prima disciolto i campioni in acido, isolando con precisione il potassio e utilizzando uno spettrometro di massa per misurare la proporzione dei tre isotopi naturali del potassio. Sorprendentemente, hanno identificato una firma isotopica diversa da quella presente nella maggior parte dei materiali terrestri.

In particolare, hanno individuato un deficit dell’isotopo potassio-40. Sebbene questo isotopo sia già raro, le loro analisi hanno mostrato una quantità ancora più bassa. Rilevare questo deficit minuscolo è come individuare un solo granello di sabbia marrone in un secchio pieno di sabbia gialla.

Il team ha così confermato che le rocce analizzate presentano un deficit di potassio-40, il che dimostra che i materiali "sono stati costruiti in modo diverso", spiega Nie, rispetto alla maggior parte dei materiali attuali della Terra.

Ma potrebbero questi campioni essere i rari resti della proto-Terra? Per rispondere, i ricercatori hanno ipotizzato di sì. Hanno ragionato che, se la proto-Terra si fosse formata originariamente da materiali poveri di potassio-40, la maggior parte di essi avrebbe subito trasformazioni chimiche dovute all’impatto gigante e ai successivi impatti meteorici, portando alla composizione attuale più ricca di potassio-40.

Il team ha utilizzato dati di composizione di tutti i meteoriti conosciuti e ha simulato come sarebbe cambiato il deficit di potassio-40 dopo gli impatti. Hanno poi simulato processi geologici interni della Terra, come il riscaldamento e la mescolanza del mantello. Le simulazioni hanno prodotto una composizione con una frazione di potassio-40 leggermente superiore a quella dei campioni di Canada, Groenlandia e Hawaii, in linea con quella della maggior parte dei materiali terrestri attuali.

Curiosamente, la firma isotopica delle rocce non corrisponde esattamente a quella di nessun meteorite conosciuto. Sebbene alcuni meteoriti presentino anomalie simili, non riproducono il deficit osservato nei campioni terrestri, il che significa che i meteoriti che formarono la proto-Terra non sono ancora stati scoperti.

"Gli scienziati hanno cercato di comprendere la composizione originaria della Terra combinando le composizioni di diversi gruppi di meteoriti", afferma Nie. "Ma il nostro studio dimostra che l’inventario attuale dei meteoriti non è completo, e che c’è ancora molto da scoprire sull’origine del nostro pianeta".

Fonte: MIT, Massachusetts Institute of Technology.

Riferimento allo studio

Wang, D., Nie, N.X., Peters, B.J. et al. Potassium-40 isotopic evidence for an extant pre-giant-impact component of Earth’s mantle. Nat. Geosci. (2025). https://doi.org/10.1038/s41561-025-01811-3