Земля и Марс были сформированы из материала внутренней части Солнечной системы

Группа исследователей под руководством Мюнстерского университета (Германия) представляет наиболее полное на сегодняшний день сравнение изотопного состава Земли, Марса и нетронутого строительного материала внутренней и внешней Солнечной системы.

Четыре планеты земной группы: Меркурий, Венера, Земля и Марс. 

Некоторое количество этого материала сегодня все еще находится в метеоритах в неизмененном виде. Результаты исследования имеют далеко идущие последствия для нашего понимания процесса, который сформировал планеты Меркурий, Венеру, Землю и Марс. Теория, утверждающая, что четыре каменистые планеты выросли до своего нынешнего размера за счет накопления гальки пыли миллиметрового размера из внешней части Солнечной системы, не выдерживает критики.

Примерно 4,6 миллиарда лет назад, на заре нашей Солнечной системы, вокруг молодого Солнца вращался диск из пыли и газа. Две теории описывают, как в течение миллионов лет внутренние каменистые планеты сформировались из этого первоначального строительного материала.

Согласно более старой теории, пыль во внутренней части Солнечной системы собиралась во все более крупные куски, постепенно достигающие размеров нашей Луны. Столкновения этих планетарных зародышей в конечном итоге породили внутренние планеты Меркурий, Венеру, Землю и Марс.

Однако более новая теория предпочитает другой процесс роста: пылевые «камешки» миллиметрового размера мигрировали из внешних областей Солнечной системы к Солнцу. По пути они аккрецировались на планетарных зародышах внутренней солнечной системы и шаг за шагом увеличивали их до нынешних размеров.

Обе теории основаны на теоретических моделях и компьютерном моделировании, направленном на реконструкцию условий и динамики ранней Солнечной системы; оба описывают возможный путь формирования планеты. Но какой из них правильный? Какой процесс действительно имел место? Чтобы ответить на эти вопросы в своем текущем исследовании, исследователи из Мюнстерского университета (Германия), Обсерватории Лазурного берега (Франция), Калифорнийского технологического института (США), Музея естественной истории Берлина (Германия) и Свободный университет Берлина (Германия) определил точный состав каменистых планет Земли и Марса.

«Мы хотели выяснить, произошли ли строительные блоки Земли и Марса во внешней или внутренней солнечной системе», – говорит доктор Кристоф Буркхард из Университета Мюнстера, первый автор исследования. С этой целью изотопы редких металлов титана, циркония и молибдена, обнаруженные в мельчайших следах во внешних, богатых силикатом слоях обеих планет, дают важные подсказки. Изотопы – это разные разновидности одного и того же элемента, которые различаются только массой своего атомного ядра.

Метеориты в качестве ориентира

Ученые предполагают, что в ранней Солнечной системе эти и другие изотопы металлов не были распределены равномерно. Скорее их изобилие зависело от расстояния до солнца. Поэтому они содержат ценную информацию о том, где в ранней солнечной системе произошли определенные строительные блоки тела.

В качестве эталона для первоначальной инвентаризации изотопов внешней и внутренней Солнечной системы исследователи использовали два типа метеоритов. Эти глыбы обычно попадали на Землю из пояса астероидов, области между орбитами Марса и Юпитера. Они считаются в основном нетронутым материалом с момента зарождения Солнечной системы. В то время как так называемые углеродистые хондриты, которые могут содержать до нескольких процентов углерода, возникли за пределами орбиты Юпитера и только позже переместились в пояс астероидов из-за влияния растущих газовых гигантов, их более обедненных углеродом собратьев, неуглеродистых хондритов. , являются истинными детьми внутренней солнечной системы.

Точный изотопный состав доступных внешних слоев горных пород Земли и обоих типов метеоритов изучается в течение некоторого времени; однако сравнительно исчерпывающий анализ марсианских горных пород не проводился. В своем текущем исследовании исследователи изучили образцы в общей сложности 17 марсианских метеоритов, которые можно отнести к шести типичным типам марсианских горных пород. Кроме того, ученые впервые исследовали содержание трех различных изотопов металлов.

Образцы марсианских метеоритов сначала были измельчены и подвергнуты комплексной химической обработке. Используя многоколлекторный плазменный масс-спектрометр в Институте планетологии Университета Мюнстера, исследователи смогли обнаружить крошечные количества изотопов титана, циркония и молибдена. Затем они выполнили компьютерное моделирование, чтобы вычислить соотношение, в котором строительный материал, обнаруживаемый сегодня в углеродистых и неуглеродистых хондритах, должен был быть включен в состав Земли и Марса, чтобы воспроизвести их измеренный состав. При этом они рассмотрели две разные фазы аккреции, чтобы объяснить различную историю изотопов титана и циркония, а также изотопов молибдена, соответственно.

В отличие от титана и циркония, молибден накапливается в основном в металлическом ядре планеты. Крошечные количества, которые все еще обнаруживаются сегодня во внешних слоях, богатых силикатами, могут быть добавлены только на самой последней стадии роста планеты.

Результаты исследователей показывают, что внешние слои горных пород Земли и Марса имеют мало общего с углеродистыми хондритами внешней части Солнечной системы. На их долю приходится всего около четырех процентов первоначальных строительных блоков обеих планет. «Если бы на ранней Земле и на Марсе в основном образовывались частицы пыли из внешних источников Солнечной системы, это значение должно быть почти в десять раз выше», – говорит профессор доктор Торстен Кляйне из Мюнстерского университета, который также является директором Института Макса Планка. Исследования солнечной системы в Геттингене. «Таким образом, мы не можем подтвердить эту теорию образования внутренних планет», – добавляет он.

Потерянный строительный материал

Но состав Земли и Марса также не совсем соответствует материалу неуглеродистых хондритов. Компьютерное моделирование предполагает, что в игре должен был присутствовать и другой, другой вид строительного материала.
«Изотопный состав этого третьего типа строительного материала, который определяется нашим компьютерным моделированием, подразумевает, что он, должно быть, возник в самой внутренней области Солнечной системы», – объясняет Кристоф Буркхардт. Поскольку тела из такой непосредственной близости от Солнца почти никогда не рассеивались в поясе астероидов, этот материал был почти полностью поглощен внутренними планетами и, следовательно, не встречается в метеоритах. «Это, так сказать,« потерянный строительный материал », к которому у нас больше нет прямого доступа», – говорит Торстен Кляйне.

Удивительная находка не меняет последствий исследования для теории образования планет. «Тот факт, что Земля и Марс, по-видимому, содержат в основном материал из внутренней солнечной системы, хорошо согласуется с формированием планет в результате столкновений больших тел во внутренней солнечной системе», – заключает Кристоф Буркхардт.