Новое исследование возвращает к спорному вопросу: Земля и Марс имели разное происхождение

Удивительное открытие позволяет предположить, что Марс и Земля формировались разными путями. Это может помочь учёным понять, пригодны ли для жизни планеты в других галактиках.

Четыре с половиной миллиарда лет назад Земля и Марс родились во вращающемся облаке газа и пыли, которое в конечном итоге стало нашей Солнечной системой. Однако то, как именно образовались планеты, остаётся одним из самых спорных вопросов планетологии.

Теперь исследователи из Копенгагенского университета добавляют новые свидетельства в эту дискуссию. Используя новый подход, они реконструировали самые ранние стадии формирования планет, анализируя их химический состав. И результаты их удивили.

«Самым удивительным результатом стало то, что Земля и Марс, по-видимому, сформировались разными способами. Можно было бы ожидать, что две планеты, образовавшиеся бок о бок в одной солнечной системе, будут иметь более схожую историю формирования», — говорит профессор Андерс Юхансен, изучающий формирование планет в Институте Глобуса Копенгагенского университета. Он руководил новым исследованием вместе с доцентом Хайяном Вангом.

Рождение Марса и Земли

Сегодня исследователи в целом согласны, что планеты образуются в основном одним из двух способов или через гибрид обоих процессов.

Планеты либо возникают при столкновении гигантских космических камней, известных как планетезимали, либо когда эти крупные камни накапливают более мелкие частицы — процесс, известный как аккреция гальки.

Планетологи не пришли к единому мнению о том, какой из двух процессов или их комбинация лучше всего объясняет формирование каменистых планет, таких как Земля и Марс.

Исследователи, стоящие за новой работой, считают, что их результаты поддерживают так называемую гибридную модель. Однако исследование идёт на шаг дальше и предлагает более явное объяснение того, как Земля и Марс сформировались 4,5 миллиарда лет назад.

«По крайней мере 75 процентов массы Земли, по-видимому, происходят от двух молодых планет, известных как протопланеты, которые выросли за счёт аккреции гальки, тогда как планетезимали внесли до 25 процентов. Напротив, примерно три четверти массы Марса, по-видимому, происходят от планетезималей, а оставшаяся четверть — от аккреции гальки», — говорит Хайян Ванг.

Планетарная химия раскрывает прошлое

Чтобы понять, как планеты формировались миллиарды лет назад, учёные должны полагаться на следы, которые существуют сегодня.

В новом исследовании учёные тщательно изучили конкретные элементы во внешних слоях планет: коре и мантии. Они сосредоточились особенно на так называемых летучих элементах, которые относительно легко испаряются при высоких температурах, таких как натрий, цинк и калий.

По словам исследователей, присутствие или отсутствие этих элементов действует как химический отпечаток, раскрывающий процессы, которые планеты прошли во время своего формирования. Используя передовые компьютерные модели, они могут затем определить, какие сценарии формирования являются наиболее вероятными объяснениями происхождения Земли и Марса.

«Это большая детективная работа — выяснить, что произошло тогда, когда большая часть доказательств давно исчезла. Но даже спустя 4,5 миллиарда лет состав мантий Земли и Марса остаётся неизменным. Их можно рассматривать как отпечаток процесса формирования», — говорит Андерс Юхансен.

Об исследовании

Исследование изучает, как Земля и Марс сформировались 4,5 миллиарда лет назад, анализируя конкретные элементы в коре и мантии двух планет. Исследователи использовали передовое статистическое компьютерное моделирование для расчёта наиболее вероятных процессов формирования.

Согласно исследованию, Земля и Марс сформировались разными способами: Марс образовался в первую очередь через столкновения массивных камней, известных как планетезимали. Земля, напротив, начала в значительной степени как две протопланеты, которые выросли за счёт накопления частиц размером с гальку в процессе, называемом аккрецией гальки.

Результаты поддерживают так называемую гибридную модель, в которой оба механизма внесли вклад в формирование планет.

Исследователи подчёркивают, что результаты основаны на статистическом моделировании и ряде допущений относительно состава строительных блоков, присутствовавших в молодой Солнечной системе, которые позже стали двумя планетами. Среди них — допущение, что планетезимальные строительные блоки Земли и Марса были химически схожи с астероидом Веста, и что летучие элементы теряются более эффективно во время аккреции гальки, чем во время гигантских столкновений.

Исследователи использовали компьютерные симуляции, чтобы продемонстрировать, что летучие элементы теряются из гальки по мере её движения к поверхности планеты.

Исследование опубликовано в научном журнале Nature Astronomy.

Исследователи подчёркивают, что их компьютерные модели содержат неопределённости. Например, точный химический состав исходных строительных блоков в нашей Солнечной системе, которые в конечном итоге стали Землёй и Марсом, остаётся неизвестным.

В результате модели опираются на несколько допущений. Однако даже при корректировке этих допущений основной вывод остаётся неизменным.

«Точные проценты могут несколько варьироваться, но наши анализы последовательно указывают на то, что Земля и Марс сформировались двумя разными способами. Наш метод обеспечивает более точный и прямой способ понимания формирования планет, чем более широко используемый подход на основе изотопов, который часто можно интерпретировать несколькими способами», — говорит Хайян Ванг.

Может помочь в поиске обитаемых планет

Исследователи также видят применение за пределами нашей Солнечной системы.

Несколько будущих космических миссий нацелены на обнаружение и изучение похожих на Землю планет в других галактиках.

Понимание химического состава таких планет важно для оценки того, являются ли они потенциально обитаемыми, отмечают исследователи.

«Если мы поймём, как планеты теряют летучие элементы во время своего формирования, мы также сможем лучше предсказывать, сколько воды и других поддерживающих жизнь веществ они в конечном итоге сохранят», — говорит Андерс Юхансен.