Странное ядро Меркурия может быть результатом столкновения с его близнецом

Фото из открытых источников

Солнечная система полна тайн. Хотя иногда может показаться, что мы узнали много нового, любой объект в Солнечной системе быстро натолкнётся на множество вопросов, на которые пока нет ответов. Это, безусловно, относится и к крошечному Меркурию.

Тайна Меркурия кроется в его ядре. Наземные радионаблюдения в 1960-х и 1970-х годах показали, что у него массивное ядро.

Миссия Mariner 10 в 1975 году, первая миссия к Меркурию, предоставила более точные измерения, а миссия Messenger с 2010 по 2015 год предоставила наиболее убедительные доказательства того, что ядро планеты огромно.

По какой-то причине ядро этой крошечной планеты составляет около 70% её массы. Это значительно больше, чем ядро Земли (30%) и ядро Марса (25%). Иногда это называют «проблемой Меркурия».

Основная рабочая гипотеза, связанная с проблемой Меркурия, заключается в том, что планета стала жертвой столкновения с объектом иного размера. Катастрофическое столкновение уничтожило большую часть мантии и коры планеты, оставив лишь тонкую кору и мантию, покрывающие массивное ядро.

К сожалению, моделирование показывает, что столкновения между телами с сильно различающимися массами происходили крайне редко.

Новое исследование, опубликованное в журнале Nature Astronomy, показывает, что, хотя столкновение Меркурия с другим объектом и стало причиной необычной внутренней структуры Меркурия, этот другой объект был не больше Меркурия.

«Происхождение Меркурия до сих пор остается плохо изученным по сравнению с другими каменистыми планетами Солнечной системы», — пишет ведущий автор исследования Патрик Франко из Института физики земного шара в Париже, Университета Париж-Сити, CNRS, Париж, Франция.

Чтобы объяснить его внутреннюю структуру, обычно считают, что он образовался в результате гигантского удара. Однако большинство исследований предполагают парное столкновение тел существенно разной массы, что, согласно моделированию N-тел, представляется маловероятным.

Одной из причин их редкости является то, что объект столкновения должен был находиться на чрезвычайно эксцентричной орбите до столкновения, а это бывает редко.

Сценарий гигантского столкновения предполагает, что столкновение планетарного зародыша, масса которого в 2,25 раза превышает массу нынешнего Меркурия (прото-Меркурия), с объектом в шесть раз меньшим по массе, привело к удалению мантии зародыша, и то, что осталось, напоминает внутреннюю структуру Меркурия.

Но если такие несовпадающие столкновения были редки, что еще могло произойти?

Согласно детальному численному моделированию, столкновения между объектами схожей массы были гораздо более частыми в молодой Солнечной системе. Исследователи утверждают, что, в отличие от сценария гигантского удара, для объяснения особенностей Меркурия и его необычной внутренней структуры достаточно лишь скользящего удара с объектом схожей массы.

«С помощью моделирования мы показываем, что формирование Меркурия не требует исключительных столкновений. Скользящий удар двух протопланет схожей массы может объяснить его состав. Это гораздо более правдоподобный сценарий с точки зрения статистики и динамики», — заявил Франко. «Наша работа основана на выводе, сделанном в ходе предыдущих моделирований, о том, что столкновения между телами очень разной массы происходят крайне редко. Столкновения между объектами схожей массы происходят чаще, и целью исследования было именно проверить, способны ли эти столкновения привести к образованию планеты с характеристиками, наблюдаемыми у Меркурия».

Ранняя Солнечная система была гораздо более запутанной и хаотичной, чем сейчас. Зародыши каменистых планет боролись за место во внутренней части Солнечной системы, и было неясно, какие из них в конечном итоге станут планетами. В тех условиях столкновения между объектами схожей массы были гораздо более вероятны.

«Они были развивающимися объектами, находящимися в стадии зарождения планет, взаимодействуя гравитационно, нарушая орбиты друг друга и даже сталкиваясь, пока не остались только четко определенные и стабильные орбитальные конфигурации, известные нам сегодня», — сказал Франко.

Франко и его коллеги обратились к моделированию сглаженной гидродинамики частиц (SPH), чтобы проверить эту идею. Этот широко используемый метод позволяет моделировать поведение газов, жидкостей и твёрдых тел в движении. Моделирование SPH особенно полезно в контексте столкновений, подобных столкновениям планет.

«Благодаря детальному моделированию в гидродинамике сглаженных частиц мы обнаружили, что можно с высокой точностью воспроизвести как общую массу Меркурия, так и его необычное соотношение металлов и силикатов. Погрешность модели составила менее 5%», — сказал Франко.

Необычное соотношение металлов и силикатов объясняется тем, что ядро состоит из металла, а мантия и кора — из силиката.

«Мы предполагали, что изначально состав Меркурия будет схож с составом других планет земной группы. Столкновение могло бы разрушить до 60% его первоначальной мантии, что объясняет его повышенную металличность», — объясняет Франко.

Но если Меркурий появился в результате столкновения, в результате которого произошло сбрасывание массы, что же произошло с материалом, выброшенным в космос? Моделирование столкновения объектов разного размера показывает, что Меркурий вновь аккрецирует большую часть потерянной массы, и в этом случае структура Меркурия не была бы такой, как сейчас.

«В этих сценариях материал, оторванный во время столкновения, вновь включается в состав самой планеты. Если бы это было так, у Меркурия не наблюдалось бы нынешней диспропорции между ядром и мантией», — говорит Франко. «Но в предлагаемой нами модели, в зависимости от начальных условий, часть оторванного материала может быть выброшена и никогда не вернуться, что сохраняет диспропорцию между ядром и мантией».

На раннем этапе развития Солнечной системы условия могли помешать повторному накоплению массы.

«Сценарий, предложенный в этой работе, реализуется в течение первых десятков миллионов лет формирования планеты, когда несколько механизмов могли предотвратить существенное повторное накопление мусора», — пишут авторы.

Там должно было быть множество планетезималей и планетарных эмбрионов, которые могли бы развеять обломки гравитацией.

Другая возможность заключается в том, что ее соседка Венера в результате удара стала немного массивнее.

«Если столкновение произошло на близлежащих орбитах, возможно, этот материал был захвачен другой планетой в процессе её формирования, возможно, Венерой. Эта гипотеза ещё требует более глубокого изучения», — сказал Франко.

Для расширения этого понимания потребуется геохимическое исследование не только Меркурия, но и метеоритов, а возможно, как мы надеемся, даже образца самого Меркурия.

Существуют концепции миссии по возвращению образцов с Меркурия, но они пока ограничены концепцией. В середине 2000-х годов ЕКА изучало идею использования солнечного паруса для миссии по возвращению образцов на Меркурий, но это был скорее мысленный эксперимент, чем предложение.

Тем не менее, идея солнечного паруса не исчезнет.

Миссия ESA/JAXA BepiColombo достигнет Меркурия в 2026 году и будет включать в себя два дополнительных орбитальных аппарата, которые проведут всестороннее исследование планеты.

Вместе они несут более 20 научных приборов. Аппарат будет измерять твёрдое и жидкое ядро Меркурия и определять их размеры. Он также составит карту магнитного и гравитационного полей планеты.

Результаты, возможно, не подтверждают эту новую гипотезу столкновения, но более подробные данные, несомненно, позволят расширить научное понимание Меркурия.

«Меркурий остаётся наименее изученной планетой в нашей системе. Но ситуация меняется. Сейчас проводится новое поколение исследований и миссий, и нас ждёт ещё много интересного», — сказал Франко.