Общепринятая на сегодняшний день теория гласит, что наша планета образовалась в результате аккреции хондритных астероидов. Однако химический состав Земли не может быть полностью объяснен этой смесью хондритов. Ведь наша планета беднее легкими летучими элементами, чем предсказывает эта теория. Международная группа астрономов предложила альтернативный сценарий формирования не только Земли, но и всех каменистых планет.
Наша планета родилась 4,5 миллиарда лет назад из солнечной туманности — огромного диска из газа и пыли, вращающегося вокруг нашего молодого Солнца. Постепенная аккреция частиц из этого диска привела к образованию более крупных тел, которые сталкивались друг с другом, образуя протопланеты — происхождение планет, спутников и астероидов в нашей Солнечной системе. Это известно как «модель аккреции». Детали этого процесса еще плохо изучены, но, в частности, считается, что Земля сформировалась из хондритных астероидов.
«Это относительно небольшие и простые блоки породы и металла, которые сформировались очень рано в Солнечной системе«, — объясняет Паоло Сосси, профессор экспериментальной планетологии в ETH Zurich. Однако Земля обеднена летучими элементами (водородом, гелием и т.д.) не так, как это наблюдается в хондритах. Для объяснения этой разницы было предложено несколько гипотез. Предполагается, что при столкновении тел, сформировавших Землю, также выделялось большое количество тепла, которое могло испарить некоторые легкие элементы.
Планетезимали с металлическим ядром и каменистой мантией
Однако изотопный состав различных земных элементов не согласуется с этими теориями. Изотопы химического элемента по определению имеют одинаковое количество электронов и протонов, но разное количество нейтронов. Те, в которых меньше нейтронов, легче и поэтому легче улетучиваются. Как отмечает Сосси, если интенсивный нагрев действительно испарил летучие элементы, то на Земле должно быть меньше этих легких изотопов, чем в исходных хондритах.
Однако на самом деле эти элементы сохраняют сходные изотопные соотношения с теми, что присутствуют в хондритах. Поэтому Сосси и его коллеги искали другой путь формирования, более соответствующий современным характеристикам нашей планеты. В частности, они , что тела, которые собрались вместе, чтобы сформировать Землю, были не астероидами, а гораздо более крупными телами — планетезималями. Планетезимали также состоят из камня и металла, но в отличие от хондритов, они являются настоящими «семенами» планет.
Планетезимали достаточно велики и достаточно нагреты, чтобы содержать металлическое ядро и каменистую мантию. «Более того, планетезимали, сформировавшиеся в разных областях вокруг молодого Солнца или в разное время, могут иметь очень разный химический состав«, — говорит Сосси. Чтобы проверить эту гипотезу, команда провела моделирование столкновений между планетезималями в ранней Солнечной системе.
Земля как наиболее вероятный результат этой модели
Исследователи провели моделирование N-тела с участием тысяч планетезималей. Они изменили несколько переменных, включая количество участвующих планетезималей, в соответствии со сценарием Гипотезы большого оверштага — гипотетического шага, который произошел в течение первых нескольких миллионов лет формирования Солнечной системы. Этот сценарий, описывающий двойную миграцию Юпитера, помогает объяснить малый размер Марса: Юпитер должен был сформироваться на расстоянии 3,5 АЕ, затем мигрировать ближе к Солнцу, на расстояние 1,5 АЕ, после чего снова изменить траекторию и остановиться на расстоянии 5,2 АЕ (его нынешняя орбита).
Такая миграция Юпитера привела бы к усечению диска планетезималей примерно до 1 АЕ, оставив меньше материала для формирования Марса. Кроме того, дважды пересекая пояс астероидов, газовый гигант разбросал бы астероиды по всей Солнечной системе, что привело бы к новым столкновениям, которые, вероятно, способствовали образованию планет.
Модели, использованные Сосси и его коллегами, были разработаны для воспроизведения внутренней Солнечной системы в том виде, в котором мы ее знаем: Меркурий, Венера, Земля и Марс. Моделирование показывает, что разнообразная смесь планетезималей с различным химическим составом действительно может воспроизвести Землю в ее сегодняшнем виде. Состав Земли — это даже самый статистически вероятный результат этих симуляций, отмечает команда. «Воспроизводится состав Земли, когда начальные температуры планетезимальных и эмбриональных тел задаются скоростью аккреции диска (1,08 ± 0,17) × 10-7 солнечных масс в год«, — говорят исследователи.
Полученные данные свидетельствуют о том, что планетезимали сформировались быстро в течение примерно одного миллиона лет, что согласуется с радиометрическим возрастом истощения летучих элементов Земли, добавляют они. Это открытие может иметь важные последствия: оно не только дает лучшее понимание различных составов планет в нашей Солнечной системе, но и может предсказать состав каменистых экзопланет в других системах.