Хотя Земля уже давно детально изучена, на некоторые фундаментальные вопросы ученым еще предстоит ответить. Один из них касается формирования планеты. Международная исследовательская группа, возглавляемая Федеральным институтом технологии Цюриха и Национальным центром компетенций в области исследований планет, предложила ответ на этот вопрос. В своем исследовании ученые использовали компьютерное моделирование и провели несколько лабораторных экспериментов. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Astronomy.
Проблема старой теории
Преобладающая теория в астрофизике и космохимии состоит в том, что Земля образовалась из хондритовых астероидов. Это относительно небольшие, простые блоки из камня и металла, которые появились на ранней стадии формирования Солнечной системы. Проблема с этой теорией заключается в том, что никакая смесь этих хондритов не может объяснить точный состав Земли. В ней не так много легких, летучих элементов, таких как водород и гелий, как должно быть.
На протяжении многих лет ученые выдвигали разные гипотезы, которые могут объяснить это несоответствие. Например, считалось, что столкновения объектов, которые позже сформировали Землю, выделяли огромное количество тепла. Это в итоге испарило легкие элементы, оставив планету в ее нынешнем составе.
Однако авторы нового исследования уверены — эти теории становятся неправдоподобными, стоит только измерить изотопный состав различных элементов Земли. Так, у всех изотопов химического элемента есть одинаковое количество протонов, хотя и разное количество нейтронов. Изотопы с меньшим количеством нейтронов легче и, следовательно, должны проще улетучиваться. Если бы теория испарения при нагревании была верна, то на Земле было бы меньше этих легких изотопов, чем в первоначальных хондритах. Но измерения изотопов показывают другую картину.
Новая идея
Динамические модели, с помощью которых ученые моделируют формирование планет, показывают, что планеты в Солнечной системе формировались постепенно. Маленькие зерна со временем превратились в километровые планетезимали, накапливая все больше и больше материала под действием гравитационного притяжения.
Как и хондриты, планетезимали — небольшие космические тела из камня и металла. Но, в отличие от хондритов, они были достаточно нагреты, чтобы дифференцироваться в металлическое ядро и скалистую мантию. Более того, планетезимали, которые образовались в разных областях вокруг молодого Солнца или в разное время, отличаются разным химическим составом.
Вопрос заключался в том, действительно ли случайная комбинация различных планетезималей могла образовать Землю в том составе, о котором известно сегодня.
Проверка теории
Чтобы выяснить это, команда провела компьютерное моделирование. В ходе него тысячи планетезималей столкнулись друг с другом в ранней Солнечной системе. Модели были спроектированы таким образом, чтобы со временем из космических камней появились небесные тела, соответствующие четырем скалистым планетам — Меркурию, Венере, Земле и Марсу.
Исследование показало, что смесь многих различных планетезималей действительно может привести к тому составу Земли, о котором знают ученые.
Как это поможет?
Теперь у планетологов есть механизм, который лучше объясняет образование не только Земли, но и других скалистых планет. Его можно было бы использовать, например, для прогнозирования того, насколько состав Меркурия отличается от состава других скалистых планет. Даже за пределами Солнечной системы.