Jednym z podstawowych problemów w nauce o planetach jest próba ustalenia, w jaki sposób powstały i ewoluowały ciała planet w wewnętrznym układzie słonecznym. Nowy model komputerowy sugeruje, że ogromne obiekty - niektóre tak duże jak duże obiekty Pasa Kuipera, takie jak Pluton i Eris - prawdopodobnie uderzyły w Ziemię, Księżyc i Marsa w późnych stadiach formowania się planet, przenosząc metale ciężkie na powierzchnie planet. Ten model - stworzony przez różnych badaczy z NASA Lunar Science Institute - zaskakująco rozwiązuje wiele różnych zagadek w Układzie Słonecznym, takich jak to, w jaki sposób Ziemia może zatrzymać metal, elementy takie jak złoto i platyna znajdujące się w płaszczu, jak wnętrze Księżyc może być mokry, a dziwny rozkład wielkości asteroid.
„Większość dowodów na to, co wydarzyło się w późnych stadiach formowania się planet, zostało z czasem zatartych” - powiedział Bill Bottke z Southwest Research Institute, który kierował zespołem badawczym. „Ścieżka, którą śledziliśmy na tych światach, jest dość zimna, a możliwość wykopania większej ilości informacji z tego, co mamy i odpowiedzi na niektóre długotrwałe problemy, jest bardzo ekscytująca”.
Bottke powiedział Space Magazine, że historia tego nowego modelu „nie jest tak skomplikowana, jak na pierwszy rzut oka”, powiedział. „Zawiera wiele koncepcji razem, a niektóre z nich istnieją już od jakiegoś czasu.”
Bottke i jego zespół opublikowali swoje wyniki w czasopiśmie Nauka.
Naukowcy rozpoczęli od powszechnie przyjętej teorii, w jaki sposób powstał nasz Księżyc w wyniku gigantycznego uderzenia między wczesną Ziemią a innym ciałem planetarnym wielkości Marsa. „To było najbardziej traumatyczne wydarzenie, jakie prawdopodobnie miała miejsce na Ziemi, i to był czas, gdy Ziemia i Księżyc prawdopodobnie utworzyły swoje rdzenie” - powiedział Bottke.
Ciężkie żelazo spadło na środek obu ciał, a tak zwane wysoce syderofilowe lub kochające metal pierwiastki, takie jak ren, platyna osmu, pallad i złoto, powinny podążać za żelazem i innymi metalami do rdzenia w następstwie zdarzenia kształtującego Księżyc, pozostawiając skaliste skorupy i płaszcze tych ciał pozbawione tych pierwiastków.
„Te pierwiastki uwielbiają podążać za metalem”, powiedział Bottke, „więc jeśli metal spływa do rdzenia, elementy te chciałyby spłynąć wraz z nimi. Więc jeśli jest to słuszne, to czego moglibyśmy oczekiwać, że skały pochodzące z naszego płaszcza nie powinny mieć prawie żadnych wysoce syderofilowych elementów, może od 10 do mniej więcej piątego poziomu. Ale, co zaskakujące, nie to widzimy. Są one tylko mniej licznie mniejsze niż 200, w porównaniu do tego, czego byśmy się spodziewali, około 100 000 ”.
Bottke powiedział, że problem ten jest dyskutowany od lat 70. XX wieku, z różnymi sugestiami dotyczącymi sposobu rozwiązania problemu.
„Najbardziej prawdopodobną odpowiedzią jest to, że po uderzeniu Księżyca powstały również inne rzeczy, które uderzyły w Ziemię w późnych stadiach formowania się planet, obiekty mniejsze, a te mniejsze obiekty uzupełniły te elementy i dały nam obfitość zobacz dzisiaj. To właśnie nazywamy późną akrecją ”- powiedział.
Na Księżycu działo się to samo. Ale z tym scenariuszem był problem. Stosunek tych pierwiastków na Ziemi w porównaniu ze skałami na Księżycu wynosi około 1000 do 1.
„Grawitacyjny przekrój Ziemi jest około 20 razy większy niż Księżyc”, powiedział Bottke, „więc na każdy obiekt, który uderzył w Księżyc, około dwudziestu powinno trafić na Ziemię. A jeśli późna akrecja dostarczyła te elementy, powinieneś mieć stosunek około 20 do 1. Ale tego nie widzimy - widzimy stosunek 1000 do 1 ”.
Bottke - planetarny dynamak - omówił to z kolegą Davidem Nesvornym, również z SWRI, a także z modelami geofizyczno-geochemicznymi, takimi jak Richard Walker z University of Maryland, James Day z University of Maryland i Linda Elkins-Tanton z Instytut Technologii w Massachusetts.
Wymyślili model komputerowy, który wydawał się stanowić odpowiedź.
„Grając w ruletkę z tymi przedmiotami, odkryłem, że bardzo często Ziemię uderzają ogromne uderzenia, których Księżyc nigdy nie zobaczy” - powiedział Bottke. „Ten wynik sugeruje, że rzeczy uderzające w Ziemię i Księżyc pod koniec okresu formowania się planety były zdominowane przez bardzo duże obiekty”.
Model przewidywał, że największy z późnych impaktorów na Ziemi ma średnicę 2400-3200 km (1500-2000 mil), podczas gdy dla Księżyca około 240-320 km.
Bottke nazwał to „uroczym” wynikiem - ale potrzebowali więcej dowodów potwierdzających. Spojrzeli więc na ostatnią ocalałą populację rzeczy, które zbudowały planety, wewnętrzny pas asteroid. „Znajdziesz duże asteroidy, takie jak Ceres, Vesta i Pallas”, powiedział Bottke, więc są one duże w odległości od 500 do 900 km, ale twoje następne największe planetoidy mają tylko około 250 km. Pasowało to do rozmiarów, które wymyślił nasz model ”, w których w tym regionie nie obserwuje się asteroid o rozmiarach„ pośrednich ”.
Następnie przyjrzeli się Marsowi, który ma kilka bardzo dużych basenów uderzeniowych, które prawdopodobnie pozostały z czasów, kiedy powstała planeta, w tym Basen Borealis, który jest tak duży, że prawdopodobnie uwzględnia różnice w półkuli północnej i południowej na Czerwona Planeta.
„Obejrzeliśmy i przewidzieliśmy wielkość impaktorów, które utworzyłyby te baseny uderzeniowe, i zauważyliśmy, że rozkład rozmiarów był bardzo podobny do tego, co przewidywano dla Ziemi i Księżyca, a także tego, co znajduje się w wewnętrznym pasie asteroid.
Więc wszystkie te rzeczy razem - podstawy teoretyczne, dowody obserwacyjne z elementów na Ziemi i Księżycu oraz uderzenia na Marsa łącznie mówią coś o rozkładzie rozmiarów obiektów pod koniec formowania się planet.
Jakie są implikacje?
„Mogliśmy przewidzieć, co w tym czasie uderzyło w Ziemię, Księżyc i Marsa, i zgadzają się z tym, co widzimy na powierzchni” - powiedział Bottke. „Na Marsie możemy zagrać w grę z największymi pociskami, które powinny trafić na Marsa, i dobrze pasuje do wielkości tego dużego basenu, który uformował się na Marsie, a także wytworzył mnóstwo elementów, które tam widzimy.”
„W przypadku Księżyca największe impaktory wyniosłyby 250–300 km, co jest mniej więcej wielkości basenu Aiken na biegunie południowym” - kontynuował Bottke. „Dla Ziemi te duże impaktory wyjaśniają, dlaczego niektórym z tych uderzeń udało się uderzyć w Ziemię, a nie wszystkie elementy trafiły do jądra Ziemi”.
Bottke powiedział, że dodając do komplikacji, niektóre z największych uderzeń mogły faktycznie przedrzeć się przez Ziemię i faktycznie wydostać się na drugą stronę - w bardzo rozdrobnionym stanie - i spaść na Ziemię. „Jeśli to prawda, zapewnia to sposób na rozprzestrzenianie się fragmentów na całej Ziemi”, powiedział, „ale jak rozkładanie gruzu wokół ciała planetarnego jest naprawdę interesującym pytaniem. Ta część wymaga dużo więcej pracy i jest teraz na krawędzi tego, co możemy zrobić numerycznie. ”
Jeśli chodzi o wodę we wnętrzu Księżyca - która kiedyś była uważana za suchą, ale ostatnie pomiary próbek sugerują, że zawartość wody w płaszczu księżycowym wynosi od 200 do kilku tysięcy części na miliard - model Bottke'a również mógłby rozwiązać ten problem kwestia.
„Jeśli to prawda” - pisze zespół w swoim artykule - „możliwe jest, że ten sam pocisk, który dostarczył większość HSE Księżyca, również dostarczył mu wodę… Późna akrecja stanowi alternatywne wyjaśnienie na wypadek, gdyby woda z płaszczem księżycowym nie mogła migrować od post gigantycznego zderzenia z Ziemią po wschodzący Księżyc poprzez gorący, w dużej mierze odparowany dysk protolunarny. ”
Jeśli chodzi o to, dlaczego mniejsze pociski trafiły na Księżyc w porównaniu z Ziemią, Bottke powiedział, że to tylko gra liczbowa. „Zaczynamy od populacji, która ma pewną liczbę dużych rzeczy, średnich i małych rzeczy” - powiedział. „I losowo wybieramy pociski z tej populacji, a na każdego dużego faceta, który uderza Księżyc, 20 trafia na Ziemię. Gramy w tę grę, a jeśli liczba pocisków jest ograniczona, jeśli Księżyc zostanie trafiony tylko raz lub dwa razy z tej populacji, oznacza to, że Ziemia zostanie trafiona 20-30 razy, co wystarczy nam - w większości przypadków - co widzimy. ”
Bottke powiedział, że te badania dały mu szansę współpracy z geochemikami, „którzy mają wiele interesujących rzeczy do powiedzenia, które pomagają ograniczyć procesy, które doprowadziły do powstania planet. Problem polega na tym, że czasami mają świetne informacje, ale nie mają dynamicznego procesu, który mógłby działać. Myślę więc, że pracując razem udało nam się uzyskać ciekawe wyniki ”.
„Najbardziej ekscytujące dla mnie jest to, że powinniśmy być w stanie wykorzystać te obfitości, które mamy na Ziemi, Księżycu i Marsie, aby naprawdę opowiedzieć historię o tworzeniu się planet” - powiedział Bottke.
Źródła: Nauka, wywiad telefoniczny z Bottke
