Когда Тея столкнулась с Землей, это могло подготовить почву для появления жизни

Фото из открытых источников

Как Земля, единственная среди каменистых планет Солнечной системы, стала домом для жизни? Как среди всей этой холодной безжизненности наша планета стала теплой, гостеприимной и пригодной для жизни? Ответ на эти вопросы сложен и многогранен, и часть ответа исходит из космохимии, междисциплинарной области, которая изучает распределение химических элементов.

Солнечная система — это оживленное место, где все находится в движении. 4,5 миллиарда лет назад она была еще более хаотичной: планеты все еще формировались, а планетезимали и планетарные эмбрионы носились вокруг и врезались друг в друга. Каким-то образом во всем этом хаосе Земля получила больше, чем ей положено, углеродистых хондритов, аминокислот и других необходимых для жизни химикатов, которые пришли с ними.

Исследования космохимии показали, что от 5% до 10% массы Земли произошло из углеродистых хондритов, которые врезались в молодую планету. Исследования также показывают, что большая часть этого произошла от удара Теи, который создал Луну. Чтобы проверить эти идеи более строго, трио исследователей использовали динамическое моделирование формирования Солнечной системы, чтобы посмотреть, смогут ли они повторить это.

Новым исследованием, результаты которого опубликованы в журнале Icarus, руководил Дуарте Бранко из Института астрофизики и космических наук Лиссабонской астрономической обсерватории в Португалии. 

Одним из важнейших различий в космохимии является различие между углеродистыми хондритами (carbonaceous chondrites (CCs)) и неуглеродистыми метеоритами (non-carbonaceous meteorites (NCs)). Оно делит популяцию метеоров Солнечной системы на две группы и предполагает, что Солнечная система содержит два различных резервуара материала. УХ образовались дальше от Солнца, вероятно, за Юпитером, и несут с собой больше летучих веществ, таких как вода и органические соединения. NCs включают такие вещи, как железные метеориты, и содержат меньше летучих веществ.

Чтобы проверить идею о том, что Тея доставила на Землю CCs и летучие вещества, исследователи провели детальное моделирование Солнечной системы. Это были N-теловые моделирования поздних стадий роста планет земной группы.

Моделирование началось на поздних стадиях роста планет после того, как газовый диск Солнечной системы был рассеян. Доступная твердая масса была разделена на планетезимали и планетарные эмбрионы. Моделирование включало CCs, которые были рассеяны внутрь, пока Юпитер и Сатурн все еще росли и аккрецировали материю. Из-за разницы в размерах между планетезималями и планетарными эмбрионами, эмбрионы имеют более высокую вероятность взаимодействия с планетами земной группы и поставки материала CCs.

Исследователи провели три типа моделирования. Первый они называют только малым и включает только малые объекты CCs, или планетезимали. Второй они называют только большим и включает только крупные объекты CC, планетарные эмбрионы. Третий включает как планетезимали CCs, так и эмбрионы и называется смешанным сценарием.

Для подмножества из 10 симуляций из каждого из этих сценариев они включили эффект динамической нестабильности гигантской планеты. Это известно как «модель Ниццы» в астрономии и описывает, как гигантские планеты сместили свои орбиты с тех мест, где они изначально сформировались.

Целью было определить, как CCs и NC были распределены в Солнечной системе, и понять, как Земля оказалась с большим количеством CC, чем другие каменистые планеты, особенно Марс. Исследователи также хотели понять, могло ли столкновение с Тейей быть причиной доставки большого количества материала CCs на Землю.

Одним из очевидных результатов является то, что роль нестабильности гигантских планет, особенно смещения Юпитера на другую орбиту, оказала выраженное влияние на аккрецию Землей космического материала.

Когда исследователи добавили динамическую нестабильность гигантской планеты, все стало выглядеть еще интереснее. «Нестабильность гигантской планеты кардинально изменила эволюцию системы, вызвав сильный импульс эксцентриситетного возбуждения, который привел к волне столкновений и выбросов», — пишут авторы. Однако конечное состояние системы не сильно изменилось.

Критическая часть моделирования касается удара Теи. Предыдущие исследования предполагают, что Тея могла быть углеродистым объектом. Если это правда, то большая часть жизнеобеспечивающей обитаемости Земли могла быть результатом этого столкновения.

«В смешанном сценарии без нестабильности гигантской планеты конечный удар Земли включал компонент CCs в более чем половине всех симуляций. В 38,5% симуляций конечный ударник был чистым эмбрионом CCs, а еще в 13,5% ударник был эмбрионом NC, который ранее сросся с эмбрионом CCs», — пишут исследователи.

В целом, моделирование рисует картину ранней Солнечной системы, где было два отдельных кольца планетезималей. Внутреннее кольцо, состоящее из каменистых планетезималей, и внешнее кольцо из углеродистых хондритов. Позже, когда ледяные гиганты мигрировали внутрь, они вытолкнули материал CCs во внутреннюю часть Солнечной системы. Некоторые из них были захвачены в поясе астероидов, в то время как более массивные были преимущественно рассеяны по орбитам каменистых планет. «Поздняя стадия аккреции планет земной группы включала серию гигантских столкновений между эмбрионами NC и планетезималями, с редкими столкновениями объектов CCs», - объясняют авторы.

Этот сценарий объясняет несколько вещей о Солнечной системе. Он объясняет массы и орбиты планет земной группы и орбитальное распределение астероидов. Он также соответствует массовой доле CCs Земли и Марса, где Марс не имеет тех же концентраций материала CCs, что и Земля. Если бы моделирование small only было правильным, где материал CCs был только в форме планетезималей, массовая доля CCs Марса и Земли была бы примерно одинаковой.

Исследователи намеревались показать, что, в соответствии с другими исследованиями, Тея могла быть последним крупным ударником Земли и что она содержала достаточно материала CC. Похоже, им это удалось.

В симуляциях последний гигантский удар Земли произошел с Тейей, и этот объект имел более высокую концентрацию материала CCs, который помог сделать Землю пригодной для жизни. Этот результат соответствует научным представлениям. Работа показывает, что последний удар произошел через 5–150 миллионов лет после рассеивания газа. Большая часть из них произошла в пределах 20–70 миллионов лет. Существуют неопределенности относительно времени удара Тейи, и эти результаты работают в пределах этих значений.

Моделирование также подтверждает другие выводы, показывающие, что эмбрионы CC и планетезимали могли образовываться на протяжении всего роста Земли, но были сконцентрированы на более поздних фазах роста.

«В контексте этого сценария последний гигантский ударник на Земле содержал компонент CCs примерно в половине всех смешанных симуляций», — пишут авторы. «В большинстве из них (38% симуляций) Тея была чистым эмбрионом CCs, а в остальных случаях Тея была эмбрионом NC, который ранее сросся с эмбрионом CCs».

Исследование также показывает, что Юпитер играл важную роль в архитектуре Солнечной системы. Он не только отсекает пояс астероидов, но и сыграл важную роль в определении окончательного состава планет земной группы, рассеивая материал CC из внешней Солнечной системы на пути каменистых планет, особенно Земли.

Миллион вещей должны были быть правильными, чтобы Земля стала тем миром, который поддерживает жизнь, которым она является сегодня. Насколько вероятно, что существуют другие миры, подобные этому, неизвестно. Для поддержания жизни на экзопланете может потребоваться нечто большее, чем просто нахождение в обитаемой зоне. Может быть ошеломляющее количество переменных, которые должны быть правильными, включая внешние гигантские планеты, которые мигрируют и поставляют углерод в каменистые миры в обитаемых зонах.