Одной из фундаментальных проблем в науке о планете является попытка определить, как планетные тела во внутренней солнечной системе формировались и развивались. Новая компьютерная модель предполагает, что огромные объекты - некоторые такие же большие, как крупные объекты пояса Койпера, такие как Плутон и Эрида - вероятно, били Землю, Луну и Марс на поздних стадиях формирования планет, доставляя тяжелые металлы на поверхности планет. Эта модель, созданная различными исследователями из Лунного научного института НАСА, неожиданно затрагивает множество различных загадок в Солнечной системе, таких как, как Земля может сохранять металлолюбие, такие элементы, как золото и платина, найденные в ее мантии, как внутреннее пространство Луна действительно может быть влажной, и странное распределение размеров астероидов.
«Большинство доказательств того, что произошло на поздних этапах формирования планет, со временем было стерто», - сказал Билл Боттке из Юго-западного исследовательского института, который возглавлял исследовательскую группу. «След, который мы отслеживали в этих мирах, довольно холодный, и возможность найти больше информации из того, что у нас есть, и ответить на некоторые давние проблемы, довольно захватывающая».
Боттк рассказал Space Magazine, что история, которую рассказывает эта новая модель, «не так сложна, как кажется на первый взгляд», сказал он. «Он включает в себя множество концепций, и некоторые концепции уже давно существуют».
Боттке и его команда опубликовали свои результаты в журнале Наука.
Исследователи начали с широко принятой теории о том, как наша Луна была создана гигантским ударом между ранней Землей и другим планетарным телом размером с Марс. «Это было самое травмирующее событие, которое Земля когда-либо переживала, и это было время, когда предположительно Земля и Луна сформировали свои ядра», - сказал Боттке.
Тяжелое железо упало в центр двух тел, и так называемые высоко сидерофильные или металлолюбивые элементы, такие как рений, осмиевая платина, палладий и золото, следовали вслед за железом и другими металлами до ядра в последствии. события формирования Луны, оставляя скалистые корки и мантии этих тел свободными от этих элементов.
«Эти элементы любят следовать за металлом, - сказал Боттке, - поэтому, если металл оседает до глубины, эти элементы хотят стечь с ними. Так что, если это правильно, то, что мы ожидаем, что камни, полученные из нашей мантии, не должны иметь почти никаких сидерофильных элементов, возможно, от 10 до минус 5 уровня или около того. Но удивительно, это не то, что мы видим. Их меньше, чем в 200 раз, по сравнению с тем, что мы ожидаем, в 100 000 или около того ».
Боттке сказал, что эта проблема обсуждается с 1970-х годов, с различными предложениями о том, как ответить на эту проблему.
«Самый жизнеспособный ответ заключается в том, что после того, как произошло формирование Луны, на поздних этапах формирования планет были и другие вещи, объекты меньшего размера, и эти более мелкие объекты пополняли эти элементы и давали нам изобилие, которое мы получили. посмотри сегодня. Это то, что мы называем поздней аккрецией », - сказал он.
На Луне происходило то же самое. Но была проблема с этим сценарием. Соотношение этих элементов на Земле по сравнению с камнями на Луне составляет около 1000 к 1.
«Гравитационное поперечное сечение Земли примерно в 20 раз больше, чем у Луны, - сказал Боттке, - поэтому на каждый объект, попавший на Луну, около двадцати должно было попасть на Землю. И если эти элементы были получены в результате поздней аккреции, вы должны иметь соотношение около 20 к 1. Но это не то, что мы видим - мы видим соотношение 1000 к 1 ».
Боттке, планетарный динамик, обсуждал это с коллегой Дэвидом Несворным, также из SWRI, а также с геофизическими и геохимическими моделями, такими как Ричард Уокер из Университета Мэриленда, Джеймс Дэй из Университета Мэриленда и Линда Элкинс-Тантон из Массачусетский Технологический Институт.
Они придумали компьютерную модель, которая, казалось, дала ответ.
«Играя в рулетку с этими объектами, я обнаружил, что очень часто на Землю попадают огромные ударники, которых Луна никогда не увидит», - сказал Боттке. «Этот результат говорит о том, что над объектами, поражающими Землю и Луну в конце периода формирования планеты, доминировали очень крупные объекты».
Модель предсказывала, что самый большой из поздних ударников на Земле, с диаметром 2400 - 3200 км (1500-2000 миль), в то время как для Луны, составляет примерно 240 - 320 км.
Боттке назвал это «милым» результатом - но им нужно было больше подтверждающих доказательств. Итак, они взглянули на последнюю выжившую популяцию вещей, которые строили планеты, внутренний пояс астероидов. «Вы найдете большие астероиды, такие как Церера, Веста и Паллас», - сказал Боттке, так что есть крупные на расстоянии от 500 до 900 км, но затем ваши следующие самые большие астероиды - всего около 250 км. Это соответствовало размерам, которые придумала наша модель », в которых астероиды с« промежуточными »размерами не наблюдаются в этом регионе.
Затем они посмотрели на Марс, у которого есть очень большие ударные бассейны, которые, вероятно, остались со дней образования планеты, включая бассейн Бореалис, который настолько велик, что, вероятно, объясняет различия в северном и южном полушариях на Красная Планета.
«Мы посмотрели и спроектировали размер ударников, которые могли бы создать эти ударные бассейны, и мы увидели, что распределение размеров было очень похоже на то, что было предсказано для Земли и Луны, а также на то, что находится во внутреннем поясе астероидов.
Таким образом, все эти вещи вместе - теоретическая основа, данные наблюдений от элементов на Земле и Луне и воздействия на Марс в совокупности говорят о распределении размеров объектов к концу формирования планеты.
И каковы последствия?
«Мы могли бы предсказывать, что в то время поражало Землю, Луну и Марс, и они совпадают с тем, что мы видим на поверхности», - сказал Боттке. «На Марсе мы можем играть в игру о том, какие самые большие снаряды должны были попасть в Марс, и это хорошо согласуется с размером этого большого бассейна, который сформировался на Марсе, а также произвел изобилие элементов, которые мы видим там».
«Для Луны наибольшим ударным фактором будет 250-300 км, что примерно равно размеру бассейна Южного полюса Айкен», - продолжил Боттке. «Для Земли эти большие ударники объясняют, почему некоторые из этих ударов смогли поразить Землю, а не все элементы попали в ядро Земли».
Боттке сказал, что в дополнение к осложнениям, некоторые из самых больших воздействий, возможно, действительно вспахали Землю и фактически вышли с другой стороны - в очень фрагментированном состоянии - и пошли обратно на Землю. «Если это так, то это дает возможность распространять осколки по всей Земле, - сказал он, - но как перераспределение обломков вокруг планетного тела - действительно интересный вопрос. Эта часть требует гораздо больше работы и прямо сейчас находится на грани того, что мы можем сделать численно ».
Когда речь идет о воде на внутренней поверхности Луны, которая когда-то считалась сухой, однако недавние выборочные измерения, однако, предполагают, что содержание воды в лунной мантии составляет от 200 до нескольких тысяч частей на миллиард - модель Боттке также может решить эту проблему. вопрос.
«Если это правда, - пишет команда в своем документе, - возможно, тот же снаряд, который доставил большинство ОТОСБ Луны, возможно, также обеспечил его водой…. Позднее наращивание дает альтернативное объяснение в случае, если лунная мантийная вода не может мигрировать». от постгигантской ударной Земли до растущей Луны через горячий и в значительной степени испаренный протолунный диск ».
Относительно того, почему меньшие снаряды поражают Луну по сравнению с Землей, Боттке сказал, что это всего лишь игра чисел. «Мы начинаем с населения, у которого есть определенное количество больших, средних и малых вещей», - сказал он. «И мы случайным образом выбираем снаряды из этой популяции, и на каждого крупного парня, который попадает на Луну, 20 попадает на Землю. И мы играем в эту игру, и если количество снарядов ограничено, если Луна получает удар только один или два раза из этой популяции, это означает, что Земля получает удар 20-30 раз, этого достаточно, чтобы дать нам - в большинстве случаев - что мы видим.
Боттке сказал, что это исследование дало ему возможность поработать с геохимиками, «которые могут сказать много всего интересного, что поможет ограничить процессы, которые привели к образованию планет. Проблема в том, что иногда у них есть отличная информация, но у них нет динамического процесса, который мог бы работать. Таким образом, работая вместе, я думаю, что мы смогли получить некоторые интересные результаты ».
«Самым захватывающим для меня является то, что мы должны быть в состоянии использовать это изобилие, которое мы имеем на Земле, Луне и Марсе, чтобы действительно рассказать историю формирования планет», - сказал Боттке.
Источники: Наука, телефонное интервью с Боттке
