Su un pianeta come la Terra, mentre la roccia e l'acqua attraversano cicli e cambiamenti, sciogliendosi e raffreddandosi, erodendosi e accumulandosi, spogliati in ampie vallate e accatastati in imponenti montagne, i fenomeni naturali del passato lasciano tracce nella crosta del pianeta. Eliminando il ghiaccio antico, ad esempio, gli scienziati possono studiare le particelle intrappolate e conoscere le condizioni atmosferiche milioni di anni fa. Studiando i minerali magnetici incorporati nell'antica roccia, i geologi hanno appreso che il campo magnetico del pianeta inverte i poli - in media una volta ogni 250.000 anni.
Gli scienziati possono imparare molto sulla Terra dagli strati geologici della sua crosta, ma ancora più informazioni potrebbero essere nascoste all'interno della documentazione rocciosa. Secondo il geologo e paleontologo Paul Olsen della Columbia University, le chiavi della storia non solo del nostro pianeta, ma anche del sistema solare e della galassia possono essere trovate sotto i nostri piedi.
In uno studio pubblicato oggi negli Atti della National Academy of Science, Olsen e colleghi sostengono che i cicli astronomici dei pianeti possono essere misurati in strati rocciosi terrestri. I nuclei cilindrici di roccia estratta dal terreno, alcuni che si estendono per migliaia di piedi e coprono milioni di anni di storia, possono contenere sottili tracce dell'influenza della gravità di altri pianeti, consentendo agli scienziati di inferire le posizioni storiche dei pianeti centinaia di milioni di anni fa .
"Questo è un nuovo mondo di dati empirici che consente di testare la teoria del sistema solare su larga scala", afferma Olsen. Definisce il suo modello il Geological Orrery, che prende il nome dai modelli meccanici del sistema solare del XVIII secolo. Il lavoro potrebbe non solo fornire un set di dati indipendente per testare i modelli esistenti di movimento planetario, ma è stato anche usato per rivelare cicli orbitali che non erano mai stati misurati prima. The Geological Orrery potrebbe persino essere usato come nuovo strumento per testare alcune delle teorie più fondamentali della scienza, come la teoria della relatività generale di Einstein, la possibile esistenza di pianeti aggiuntivi nell'antico sistema solare e persino le influenze gravitazionali della materia oscura nella Via Lattea, dice Olsen.
Il geologo Paul Olsen nel Parco Nazionale della Foresta Pietrificata dell'Arizona, dove rocce di 200 milioni di anni stanno aiutando a rivelare i moti di altri pianeti di un tempo. (Kevin Krajick / Earth Institute, Columbia University) "Questo documento è un tentativo di risolvere un problema molto difficile e sconcertante per gli astronomi e i geologi che sono interessati alla storia del sistema solare e al modo in cui ha influenzato il sistema terrestre: clima, sedimentazione, eccetera", afferma Spencer Lucas, un geologo e paleontologo presso il Museo di storia naturale e scienze del New Mexico che non è stato coinvolto nello studio. "Questi cicli astronomici si sono evoluti per centinaia di milioni di anni, e c'è una certa quantità di caos in quella evoluzione, quindi è sempre stata una grande sfida per geologi e astronomi cercare di capire cosa è successo a questi cicli."
Gli strati della crosta terrestre rappresentano un record di climi passati e quei climi sono stati influenzati da movimenti celesti chiamati cicli di Milankovitch. Chiamati per il geofisico e astronomo serbo Milutin Milankovitch, questi cicli sono il risultato delle interazioni gravitazionali della Terra con altri pianeti che influenzano la traiettoria terrestre attorno al sole, inclusa la forma del suo percorso ellittico (eccentricità), nonché l'inclinazione (obliquità) e le oscillazioni (precessione) dell'asse del pianeta.
I cambiamenti nell'orbita terrestre influenzano il clima del pianeta e, come sostenuto per la prima volta da Olsen in un articolo del 1986 su Science, un record di climi passati potrebbe quindi essere usato per inferire le posizioni e i movimenti di altri pianeti.
Ma perché affrontare i problemi e le spese di scavare nuclei di terra per accertare le traiettorie di altri pianeti? Usando le leggi della meccanica orbitale, gli scienziati possono creare modelli matematici per studiare la storia del nostro piccolo quartiere solare nello spazio.
Tali modelli, tuttavia, sono affidabili solo fino a un certo punto, afferma Olsen. Nessuna semplice equazione matematica descrive i movimenti di più di due corpi in movimento nello spazio con un alto grado di certezza. Con otto pianeti e il sole, per non parlare di milioni di corpi più piccoli nel sistema solare, gli astronomi non possono sviluppare soluzioni analitiche per descrivere i moti esatti dei pianeti in un lontano passato. Invece, i ricercatori calcolano le precedenti orbite dei pianeti con un piccolo incremento alla volta. Secondo il lavoro di Jacques Laskar, direttore della ricerca presso l'Osservatorio di Parigi e coautore del nuovo documento, gli errori si accumulano ad ogni intervallo di tempo in modo tale che le previsioni diventano essenzialmente inutili oltre i 60 milioni di anni, non molto tempo nei 4, 5 miliardi di anno di storia del sistema solare.
I precedenti modelli computazionali di Laskar hanno anche fornito prove del fatto che i pianeti interni (Mercurio, Venere, Terra e Marte) potrebbero comportarsi in modo caotico. O in altre parole, le posizioni di questi quattro pianeti potrebbero essere in gran parte determinate dalle condizioni iniziali, rendendole quasi impossibili da prevedere basate esclusivamente sulle posizioni e le direzioni viste oggi.
"Questi record rock sui cambiamenti climatici si rivelano la chiave per capire cosa sta realmente facendo il sistema solare", afferma Olsen.
Nucleo roccioso di sedimenti lacustri estratto dal bacino di Newark nel New Jersey centrale che copre circa 40.000 anni. (Paul Olsen) Dimostrare la fattibilità del suo Geological Orrery è stato per tutta la vita un lavoro d'amore per Olsen. Nel suo articolo del 1986, ha analizzato i nuclei del supergruppo mesozoico di Newark - un assemblaggio di rocce formate da circa 200 a 227 milioni di anni fa - nel New Jersey centrale. La roccia conteneva una registrazione dell'ascesa e della caduta dei laghi in sincronia con l'entità delle piogge monsoniche tropicali, che fluttuano in base alle diverse quantità di luce solare ai tropici determinate dall'orbita terrestre e dall'asse di rotazione.
"Ciò che vediamo nei nuclei sono manifestazioni fisiche del cambiamento della profondità dell'acqua", afferma Olsen via e-mail. "Quando il lago era più profondo, forse ben oltre 100 metri, venivano depositati fanghi neri finemente laminati e quando era molto superficiale e persino stagionalmente asciutti, venivano posati fanghi rossi con abbondanti fessure di essiccazione".
Olsen ha usato l'analisi di Fourier - un metodo per rappresentare forme d'onda complesse in componenti sinusoidali più semplici - per mostrare che i cambiamenti ciclici del clima terrestre intrappolati nella documentazione geologica corrispondono ai cicli di Milankovitch della meccanica celeste. Ma c'era una stranezza.
"Uno dei cicli non era legato direttamente a qualcosa di noto all'epoca nei cicli orbitali", afferma Olsen. "Era lungo circa due milioni di anni e non sapevo cosa fosse."
Dopo aver ricevuto una sovvenzione della National Science Foundation (NSF) negli anni '90 per scavare e analizzare quasi 22.600 piedi di core continui da sette siti all'interno del Newark Supergroup, Olsen e i suoi colleghi hanno scoperto che il misterioso ciclo era un ciclo orbitale di lungo periodo causato da le interazioni tra Marte e la Terra. La scoperta "fornisce la prima prova geologica del comportamento caotico dei pianeti interni", Olsen e Dennis Kent, professore di geologia alla Rutgers University e coautore della nuova ricerca, ha scritto in un articolo del 1999 pubblicato dalla Royal Society.
Per esplorare ulteriormente questi cicli nel rock record, Olsen e il suo team hanno lanciato il Colorado Plateau Coring Project nel 2013 con un'altra sovvenzione NSF. Hanno perforato un nucleo lungo più di 1.640 piedi attraverso la sezione Triassica della Formazione Chinle nel Parco Nazionale della Foresta Pietrificata dell'Arizona. L'anima Chinle contiene strati di cenere vulcanica con minerali di zircone che possono essere datati radiometricamente.
Installazione per estrarre un nucleo dalla Chinle Formation nel Petrified Forest National Park, Arizona. (Paul Olsen) Abbinando le tracce delle inversioni del campo magnetico terrestre nel nucleo del campione Chinle Formation a quelle nel nucleo di Newark, i ricercatori sono stati in grado di dedurre le date esatte dei cicli climatici causati dalla gravità di altri pianeti. La loro analisi ha rivelato un ciclo di 405.000 anni nella meccanica celeste causato da Giove e Venere che esiste da 200 milioni di anni, esattamente come lo è oggi.
Nel loro articolo più recente, Olsen e il suo team hanno aggiunto ulteriori misurazioni ai loro modelli, utilizzando una scala di colori stratigrafica per studiare il campione centrale e misurazioni geofisiche del foro centrale (sono state misurate radioattività naturale, densità della roccia e velocità del suono ). Il team ha anche scansionato il nucleo per i dati di florescenza a raggi X per analizzare attentamente tutti i cicli astronomici visibili nella formazione di Newark.
Indipendentemente dalle misurazioni utilizzate, le stesse influenze planetarie sono state identificate nella roccia. “È davvero emozionante vedere queste cose funzionare quando si allenano. Ti dà un senso di realtà ... quando tante cose improbabili si risolvono ", dice Olsen. "È davvero piuttosto sorprendente."
Sebbene il Geological Orrery abbia implicazioni di ricerca potenzialmente di vasta portata, l'idea audace di Olsen è stata accolta con un certo scetticismo. I suoi modelli tentano di spiegare uno straordinario numero di fattori al fine di collegare il record di roccia all'influenza di altri pianeti sul clima terrestre (un sistema complesso in sé e per sé).
Lucas definisce il progetto "un castello di carte molto complesso che non poggia su una solida base scientifica". Dice che ci sono lacune nella formazione di Newark, quindi non è una cronologia completa del periodo di 25 milioni di anni che Olsen ha gruppo studiato. (Olsen e Kent, tuttavia, hanno utilizzato la datazione al piombo all'uranio in uno studio l'anno scorso e hanno scoperto che la documentazione geologica nella sequenza di Newark è completa per il relativo periodo di tempo.) Anche la documentazione di Chinle è incompleta, dice Lucas, perché è stata depositata da i fiumi e i tassi di sedimentazione sono "enormemente diversi" tra due sezioni, il che rende difficile usare Chinle per calibrare in modo affidabile le date nella roccia di Newark.
Perfino Charles Darwin lamentava l'incompletezza della documentazione geologica e i geologi concordano ampiamente sul fatto che la documentazione contenga lacune, o nel linguaggio scientifico, "incongruenze". La domanda fondamentale è quante informazioni possono essere estratte in modo affidabile da una documentazione geologica imperfetta.
"Molti geologi partono dal punto di vista che devi vedere tutto prima di poter capire qualcosa", afferma Olsen. "Il mio modus operandi è spingere ciò che è utile nel disco rock e nel record paleontologico per quanto è possibile spingerlo per ottenere cose dalla storia che non si possono ottenere in nessun altro modo."
Un dipinto di Paul Olsen di una vista immaginata della Terra dallo spazio che guarda di notte a est di New York con i principali pianeti utilizzati nell'Orreria geologica. Dal basso verso l'alto: Giove, Marte (rossastro), Venere e la Luna tutti insieme. (Paul Olsen) Anche con lacune nel disco rock, alcuni scienziati pensano che Olsen sia interessato a qualcosa. "Questi dati su cui Paul Olsen ha lavorato per molti anni sono alcuni dei migliori dati che siano mai stati raccolti", afferma Linda Hinnov, geologa della George Mason University in Virginia, che non è stata coinvolta nello studio.
Hinnov afferma che la sfida ora è colmare il divario tra circa 50 e 200 milioni di anni fa. Attualmente, i dati geologici e i modelli astronomici sono stati abbinati da 0 a circa 50 milioni di anni fa, nonché tra circa 200 e 225 milioni di anni fa. Per estendere il Geological Orrery, il divario tra questi due periodi "deve essere colmato con dati che siano almeno buoni come quelli presentati qui", afferma Hinnov.
Sebbene sia scettico su alcuni risultati specifici del team di Olsen, Lucas concorda sul fatto che questo tipo di lavoro, che collega il disco rock ai corpi celesti nel cielo, diventerà fondamentale per risolvere uno dei più grandi problemi scientifici di oggi: capire cosa controlla Clima terrestre. "Non capiamo abbastanza della relazione tra questi cicli astronomici, i climi passati e come i cicli sono cambiati nel tempo", afferma. "Qualunque cosa del genere che contribuisca alla nostra comprensione del sistema climatico terrestre ha il potenziale per aiutarci a capire meglio il clima futuro, che è proprio ciò di cui stiamo parlando di previsione".
Il Geological Orrery può essere incompleto e, come i modelli computazionali dei sistemi planetari, può essere accurato solo fino a un certo punto. Ma tra le meraviglie del cosmo, stiamo iniziando a imparare come i movimenti dei corpi celesti, a milioni di miglia di distanza e milioni di anni fa, hanno plasmato il mondo su cui camminiamo.
