Земля и Марс родились из одной пыли, но выросли совершенно разными

Фото из открытых источников

Земля и Марс образовались по-разному, и доказательство этому заложено в их химическом составе. Новое исследование показало, что по меньшей мере 75% каменистой массы Земли образовалось из тел, которые постепенно поглощали крошечные космические камешки, в то время как Марс получил обратный результат: около 73% его каменистого материала образовалось из более крупных каменистых тел, называемых планетезималами.

На протяжении десятилетий планетологи спорят о том, как на самом деле происходит сближение каменистых планет. Некоторые модели указывают на спокойный процесс медленного сбора мелких частиц, дрейфующих в молодой Солнечной системе. Другие склоняются к более сложной модели, основанной на многократных столкновениях более крупных каменистых обломков, называемых планетезималами. Новое исследование, опубликованное в журнале Nature Astronomy, утверждает, что истинный ответ — оба процесса, просто в совершенно разных пропорциях в зависимости от планеты.

Исследователи из Центра изучения формирования звёзд и планет Копенгагенского университета разгадали эту загадку, используя химическую подсказку, скрытую в самих горных породах: странный дефицит определённых «умеренно летучих» элементов в мантиях обеих планет. В работе участвовали сотрудники из учреждений Швейцарии, США и Дании.

На Земле и Марсе наблюдается предсказуемый дефицит таких элементов, как литий, марганец, натрий, калий и цинк, по сравнению с химическим составом Солнца — элементов, которые конденсируются в твердую форму при средних температурах. Ученые называют эту закономерность «истощением летучих веществ», и она постоянно наблюдается на обеих планетах. Центральный вопрос заключается в том, какой процесс приводит к исчезновению этих элементов и может ли эта закономерность рассказать что-либо о том, как планеты вообще образовались.

Исследователи смоделировали процесс, который они называют «деволютилизацией во время аккреции гальки». Когда растущая протопланета втягивает вихревую оболочку из водорода и гелия из окружающего диска, одновременно поглощая гальку, температура в нижней части этой оболочки может быть достаточно высокой, чтобы испарить умеренно летучие элементы из поступающих гальок. Затем эти испарившиеся элементы уносятся газовыми потоками и теряются обратно в диске, в то время как более тяжелые и термостойкие элементы, такие как магний и кремний, остаются заключенными в защитном паровом слое у поверхности планеты и в конечном итоге становятся частью планеты.

Чтобы убедиться, что это не просто теоретическое предположение, исследователи провели детальные 3D-моделирования конвективных газовых потоков внутри растущей оболочки протопланеты. Они обнаружили, что после испарения летучих элементов конвекция поднимает их вверх, а крупномасштабная переработка газа вымывает их. Примерно через год остается лишь около 30% этих элементов, а более 97% исчезают в течение пяти лет. Это делает потерю летучих элементов во время аккреции гальки односторонним и эффективным процессом.

Однако одних лишь отслоений гальки недостаточно для точного соответствия химическим характеристикам реальных горных пород с Земли и Марса. Поэтому команда также учла вклад ранних планетезималов — обломков горных пород, которые образовались быстро и сами были «обожжены» в результате радиоактивного распада или древних столкновений, теряя при этом свои летучие элементы. В качестве замены для такого рода тел исследователи использовали химический состав Весты, крупного астероида, фрагменты которого достигают Земли в виде HED-метеоритов (сокращение от говардит-эвкрит-диогенит), поскольку Веста демонстрирует сильное истощение элементов с более низкими температурами сублимации.

Используя байесовское статистическое моделирование — метод оценки того, насколько хорошо различные сочетания ингредиентов объясняют наблюдаемые данные, — команда протестировала различные комбинации тел, выращенных из гальки, гигантских ударных объектов и планетезималов, подобных Весте.

Для Земли наиболее подходящая модель предполагала, что по меньшей мере около 75% каменистой массы планеты должно состоять из двух тел, образованных в результате аккреции гальки: «прото-Земли» и одного гигантского ударного объекта (по аналогии со столкновением, приведшим к образованию Луны, с гипотетической планетой Теей), при этом до 25% приходится на планетезималы, подобные Весте. Если же исследователи допустят гипотетическую популяцию планетезималов с еще более экстремальной и пока не наблюдаемой картиной истощения летучих веществ, то вклад планетезималов может возрасти до 40%, хотя и со значительной неопределенностью (+15/-14 процентных пунктов).

Марс же представляет собой совершенно иную картину. Там статистика склоняется к модели, в которой доминирует аккреция планетезималов: около 73% (±5%) каменистого материала Марса лучше всего объясняется наличием планетезималов, подобных Весте, и лишь около 27% (±5%) приходится на аккрецию из мелких частиц. Другими словами, в то время как рост Земли основывался на аккреции из мелких частиц со значительным вкладом планетезималов, Марс, по-видимому, формировался в основном «традиционным» способом, путем столкновений, при этом мелкие частицы играли меньшую вспомогательную роль.

Одна из возможных причин этого раскола, как предполагают исследователи, заключается в том, что орбита Марса могла быть гравитационно изменена на ранних этапах его существования другими, более массивными протопланетами, что могло ограничить его способность эффективно аккрецировать частицы, в результате чего большую часть работы выполнял процесс столкновительного роста.

Исследователи также проверили, действительно ли для объяснения химического состава Земли необходимо одно гигантское столкновение, и обнаружили, что сценарии с двумя меньшими ударными объектами остаются правдоподобными, в то время как сценарии с тремя ударными объектами статистически невыгодны, что, как ни странно, приводит к меньшему числу столкновений, чем обычно предсказывают некоторые компьютерные модели формирования планет. Они утверждают, что это логично: если аккреция гальки уже выполняет большую часть работы по наращиванию массы планеты, то требуется меньше отдельных «зародышей» размером с планетезимал, и, следовательно, происходит меньше гигантских столкновений на этом пути.

Авторы отмечают, что этот «след» истощения летучих элементов не является уникальным для Солнечной системы. Спектроскопические исследования загрязненных белых карликовых звезд, атмосферы которых иногда содержат испарившиеся остатки поглощенных ими каменистых планет или астероидов, а также звезд, которые, по-видимому, поглотили планетарный материал, показывают схожие закономерности истощения летучих элементов. Это указывает на тот же двухэтапный процесс аккреции — аккрецию отдельных частиц плюс столкновительную сборку — как на, возможно, универсальную особенность формирования каменистых планет по всей галактике. Понимание того, как планеты теряют и восстанавливают летучие элементы, также дает ученым возможность оценить химический состав и потенциальную обитаемость каменистых миров в других местах, в том числе наличие в них жизненно важных летучих элементов, таких как углерод, водород, азот, кислород, фосфор и сера.