Космический раскол: астрофизики раскрыли тайну происхождения Земли и Марса

Похожий химический дефицит и загадка мантии

Долгое время астрофизики спорят по поводу механизмов формирования каменистых планет.

Существовали две основные гипотезы: тихое акрегирование мелких зерен "гальки", которые дрейфовали протопланетным диском, или агрессивный путь через постоянные столкновения больших обломков - планетезималей.

Новый анализ показал, что оба процесса могли существовать параллельно, однако их соотношение для Земли и Марса оказалось кардинально разным.

Исследователи обратили внимание на заметный дефицит умеренно летучих элементов в мантии обеих планет. По сравнению с химическим составом Солнца на Земле и Марсе не хватает одинаковых частиц следующих веществ:

• лития;
• марганца;
• натрия;
• калия;
• цинка.

Эти элементы конденсируются в жесткую форму при средних температурах. Процесс их потери ученые называют обеднением летучих веществ.

Больше интересного: Самый плохой год в истории человечества: ученые нашли причину глобальной катастрофы

Как "испарялись" химические элементы?

Чтобы сделать точные выводы, ученые смоделировали процесс деволатилизации во время аккреции гальки.

Когда растущая протопланета притягивает водородно-гелиевую оболочку с окружающего диска и впитывает мелкую гальку, температура в нижних слоях этой оболочки возрастает.

Этого тепла достаточно, чтобы умеренно летучие элементы испарялись из падающего на планету материала. После испарения газ забирает эти элементы обратно в диск.

В то же время более тяжелые и более устойчивые к нагреванию элементы, такие как магний и кремний, остаются в защитном паровом слое у поверхности и впоследствии входят в состав планеты.

Трехмерное компьютерное моделирование конвективных газовых потоков внутри оболочки протопланеты подтвердило эту гипотезу. Ученые обнаружили следующие временные показатели потери веществ:

• В течение 1 года в оболочке остается только около 30 процентов умеренно летучих элементов;
• Более 97 процентов этих частей теряется в течение 5 лет.

Это делает испарение летучих веществ при поглощении мелкой гальки необратимым процессом.

Больше интересного: Главная модель Вселенной может быть ошибочной: темная энергия под вопросом

Почему Земля и Марс пошли разными путями?

Поскольку одна лишь аккреция гальки не соответствовала всем химическим маркерам в реальных горных породах, команда учла вклад ранних планетезималей.

Для моделирования их состава ученые использовали химию астероида Весты, обломки которого попадают на Землю в виде метеоритов.

С помощью статистического моделирования Байеса учёные рассчитали точное содержание строительных блоков для обеих планет.

Земля: не менее 75 процентов каменистой массы нашей планеты сформировалось из двух объектов, росших за счет гальки - прото-Земли и одного гигантского импактора (подобного по масштабу Тейи, после удара которой образовалась Луна).

Только около 25 процентов массы приходится на планете зимали.

Марс: около 73 процентов массы Красной планеты образовалось именно из планетезималей, подобных Весте. Доля мелкой гальки в формировании Марса составляет всего 27 процентов.

Ученые предполагают, что Марс мог изменить свою орбиту под гравитационным влиянием других более крупных протопланет на раннем этапе. Это помешало ему эффективно впитывать мелкую гальку, поэтому большую часть массы планета набрала из-за прямых столкновений с большими телами.

Кроме того, моделирование показало, что для формирования Земли потребовалось меньшее количество гигантских столкновений, чем предполагали предыдущие компьютерные модели.

Поскольку процесс поглощения гальки эффективно обеспечивал рост массы, планете понадобилось меньше отдельных "зародышей" для финального формирования.