Новая убедительная гипотеза может окончательно объяснить, как сформировалась Земля

Хотите узнать кое-что забавное? На самом деле мы не знаем, как сформировалась наша планета. У нас есть общее представление, но более тонкие детали разгадать гораздо сложнее.

У нас есть модель, которая в настоящее время считается наиболее вероятным объяснением: Земля образовалась в результате постепенного слияния астероидов. Однако даже здесь есть некоторые факты о формировании нашей планеты, которые трудно объяснить.

В новой работе, сочетающей эксперименты и моделирование, был найден новый путь формирования, который гораздо точнее соответствует характеристикам Земли.

"Преобладающая теория в астрофизике и космохимии заключается в том, что Земля образовалась из хондритных астероидов. Это относительно небольшие, простые блоки породы и металла, которые сформировались на ранних стадиях развития Солнечной системы", - говорит планетолог Паоло Сосси из ETH Zurich в Швейцарии.

"Проблема этой теории заключается в том, что никакая смесь этих хондритов не может объяснить точный состав Земли, который гораздо беднее легкими, летучими элементами, такими как водород и гелий, чем мы могли бы ожидать".

Процесс образования планет вызывает множество вопросов, но ученые смогли составить общую картину. Когда звезда формируется из плотного сгустка материи в молекулярном облаке пыли и газа в космосе, материал вокруг нее складывается в диск, который вращается по орбите и наматывается на растущую звезду.

Этот диск из пыли и газа не только формирует талию растущей звезды - небольшие плотные частицы внутри этого вихря также объединяются в более мелкие и холодные сгустки. Маленькие частицы сталкиваются и сцепляются друг с другом, сначала электростатически, а затем гравитационно, образуя все более крупные объекты, которые в конечном итоге могут вырасти в планету. Это называется моделью аккреции, и она убедительно подтверждается данными наблюдений.

Но если слипшиеся вместе породы являются хондритами, то остается открытым вопрос о недостающих легких, летучих элементах. 

Ученые выдвигали различные объяснения, в том числе тепло, выделяемое при столкновениях, которое могло испарить некоторые легкие элементы.

Однако и это не обязательно подтверждается: тепло должно было испарить более легкие изотопы элементов, с меньшим количеством нейтронов, согласно недавней экспериментальной работе под руководством Сосси. Но более легкие изотопы все еще присутствуют на Земле примерно в тех же соотношениях, что и в хондритах.

Поэтому Сосси и его коллеги решили исследовать другую возможность: что породы, из которых образовалась Земля, были не хондритовыми астероидами из общего орбитального района Земли, а планетезималями. Это более крупные тела, "семена" планет, которые выросли до достаточно большого размера, чтобы иметь дифференцированное ядро.

"Динамические модели, с помощью которых мы моделируем формирование планет, показывают, что планеты в нашей Солнечной системе формировались постепенно. Маленькие зерна со временем превратились в планетезимали километрового размера, накапливая все больше и больше материала за счет своего гравитационного притяжения", - сказал Сосси.

"Более того, планетезимали, сформировавшиеся в разных областях вокруг молодого Солнца или в разное время, могут иметь очень разный химический состав".

Они провели моделирование N-тела, изменяя такие переменные, как количество планетезималей, по сценарию "Большого галса", в котором младенец Юпитер сначала приближается к Солнцу, а затем возвращается к своему нынешнему положению.

Согласно этому сценарию, движение Юпитера в ранней Солнечной системе оказывало крайне возмущающее воздействие на мелкие камни, вращающиеся вокруг, рассеивая планетезимали во внутреннем диске.

Моделирование было направлено на создание внутренней Солнечной системы, которую мы видим сегодня: Меркурий, Венера, Земля и Марс. Команда обнаружила, что разнообразная смесь планетезималей с различным химическим составом может воспроизвести Землю в том виде, в котором мы видим ее сегодня. Более того, Земля была наиболее вероятным результатом моделирования.

Это может иметь важные последствия не только для Солнечной системы и понимания различных составов каменистых планет в ней, но и для других планетных систем в других частях Галактики.

"Несмотря на то, что мы подозревали это, мы все равно считаем этот результат очень примечательным. Теперь у нас есть не только механизм, который лучше объясняет образование Земли, но и эталон для объяснения образования других каменистых планет", - сказал Сосси.

"Наше исследование показывает, насколько важно учитывать как динамику, так и химию при попытке понять формирование планет. Я надеюсь, что наши результаты приведут к более тесному сотрудничеству между исследователями в этих двух областях".

Исследование группы было опубликовано в журнале Nature Astronomy.