Земля и Венера выросли как буйные планеты

Формирование планет — процесс, посредством которого аккуратные, круглые, отчетливые планеты образуются из клубящегося, кружащегося облака из неровных астероидов и мини-планет — вероятно, было даже более беспорядочным и сложным, чем хотелось бы признать большинству ученых, согласно новому исследованию, проведенному исследователями из Лаборатория Луны и планет Аризонского университета.

Художественная иллюстрация столкновения двух массивных объектов. Предоставлено: НАСА / Лаборатория реактивного движения-Калтех.

Полученные данные бросают вызов общепринятой точке зрения, согласно которой столкновения между более мелкими строительными блоками заставляют их слипаться, а со временем повторяющиеся столкновения приводят к нарастанию нового материала на растущей планете-младенце.

Вместо этого авторы предлагают и демонстрируют доказательства нового сценария «наезд — бегство — возвращение», в котором допланетные тела провели значительную часть своего путешествия по внутренней солнечной системе, врезаясь друг в друга и рикошетируя друг от друга, прежде чем снова сталкиваясь друг с другом позже. Их замедлило первое столкновение, и они с большей вероятностью держатся вместе в следующий раз. Представьте себе игру в бильярд с шариками, которые останавливаются, а не забрасывание снеговика снежками, и вы поймете идею.

Исследование опубликовано в двух отчетах, опубликованных в номере журнала за 23 сентября. Журнал планетарной науки, один из которых посвящен Венере и Земле, а другой — Луне. По словам группы авторов, возглавляемой профессором LPL Эриком Асфаугом, в обеих публикациях центральным элементом обеих публикаций является тот факт, что гигантские столкновения — не те эффективные слияния, которые, по мнению ученых, были.

Планеты земной группы внутренней солнечной системы в масштабе. Согласно теории «поздней стадии аккреции», Марс и Меркурий (спереди слева и справа) — это то, что осталось от первоначальной популяции сталкивающихся эмбрионов, а Венера и Земля выросли в результате серии гигантских ударов. Новое исследование фокусируется на преобладании столкновений с ударом и разбегом при гигантских столкновениях и показывает, что прото-Земля могла бы служить «авангардом», замедляя тела размером с планету при наезде. Но чаще всего именно прото-Венера в конечном итоге их аккрецирует, а это означает, что Венере было легче получать тела из внешней солнечной системы. Предоставлено: Lsmpascal — Wikimedia Commons.

«Мы обнаружили, что большинство гигантских ударов, даже относительно« медленных », являются случайными. Это означает, что для того, чтобы две планеты слились воедино, вы обычно сначала должны замедлить их при столкновении «наезд и бегство», — сказал Асфауг. «Вероятно, неправильно думать о гигантских ударах, например о формировании Луны, как о единичном событии. Скорее всего, произошло два столкновения подряд ».

Одно из следствий состоит в том, что Венера и Земля пережили бы очень разный опыт роста в качестве планет, несмотря на то, что они были непосредственными соседями во внутренней части Солнечной системы. В этой статье, возглавляемой Александром Эмзенхубером, который проделал эту работу во время постдокторской стажировки в лаборатории Асфауга и сейчас находится в Университете Людвига Максимилиана в Мюнхене, молодая Земля могла бы замедлить пересекающиеся планетные тела, повышая вероятность их столкновения. с и придерживаться Венеры.

«Мы думаем, что во время формирования Солнечной системы ранняя Земля действовала как авангард Венеры», — сказал Эмзенхубер.

Солнечная система — это то, что ученые называют гравитационным колодцем, концепция, лежащая в основе популярного аттракциона на научных выставках. Посетители бросают монету в гравитационный колодец в форме воронки, а затем наблюдают, как их деньги совершают несколько витков, прежде чем они упадут в центральное отверстие. Чем ближе планета к Солнцу, тем сильнее гравитация, которую испытывают планеты. Вот почему внутренние планеты Солнечной системы, на которых были сосредоточены эти исследования — Меркурий, Венера, Земля и Марс — вращаются вокруг Солнца быстрее, чем, скажем, Юпитер, Сатурн и Нептун. В результате, чем ближе объект приближается к солнцу, тем больше вероятность, что он останется там.

Поэтому, когда пересекающаяся планета ударилась о Землю, вероятность ее прилипания к Земле была меньше, а вероятность того, что она окажется на Венере, выше, объяснил Асфауг.

«Земля действует как щит, обеспечивая первую остановку против этих ударов планет», — сказал он. «Скорее всего, планета, которая отскакивает от Земли, столкнется с Венерой и сольется с ней».

Эмзенхубер использует аналогию с мячом, отскакивающим от лестницы, чтобы проиллюстрировать идею того, что движет эффектом авангарда: тело, прибывающее из внешней солнечной системы, похоже на мяч, прыгающий по лестнице, причем каждый отскок представляет собой столкновение с другим. тело.

«По пути мяч теряет энергию, и вы обнаружите, что он всегда будет подпрыгивать вниз, а не наверху», — сказал он. «Из-за этого тело больше не может покидать внутреннюю солнечную систему. Обычно вы спускаетесь только вниз, к Венере, и ударник, который сталкивается с Венерой, довольно счастлив оставаться во внутренней солнечной системе, поэтому в какой-то момент он снова ударит Венеру ».

У Земли нет такого авангарда, который мог бы замедлить встречные планеты. Авторы утверждают, что это приводит к различию между двумя планетами одинакового размера, которое обычные теории не могут объяснить.

Считается, что Луна возникла после гигантского удара. Согласно новой теории, произошло два гигантских удара подряд, разделенных примерно 1 миллионом лет, с участием «Тейи» размером с Марс и протоземли. На этом изображении предполагаемое столкновение с разбегом смоделировано в 3D, показанном примерно через час после удара. Вид в разрезе показывает железные сердечники. Тейя (или большая ее часть) едва успевает убежать, поэтому вероятна последующая коллизия. Фото: А. Эмзенхубер / Бернский университет / Мюнхенский университет.

«Преобладала идея, что на самом деле не имеет значения, сталкиваются ли планеты и не сливаются сразу, потому что в какой-то момент они снова столкнутся друг с другом и затем сольются», — сказал Эмзенхубер. «Но это не то, что мы находим. Мы обнаруживаем, что они чаще становятся частью Венеры, вместо того, чтобы возвращаться на Землю. С Земли на Венеру попасть легче, чем наоборот ».

Чтобы отслеживать все эти планетные орбиты и столкновения, а в конечном итоге и их слияния, команда использовала машинное обучение для получения прогнозных моделей на основе трехмерного моделирования гигантских столкновений. Затем команда использовала эти данные, чтобы быстро вычислить эволюцию орбиты, включая столкновения «наезд и слияние», чтобы смоделировать формирование земной планеты в течение 100 миллионов лет. Во второй статье авторы предлагают и демонстрируют свой сценарий образования Луны «удар-бег-возврат», признавая основные проблемы стандартной модели гигантского удара.

«Стандартная модель Луны требует, условно говоря, очень медленного столкновения, — сказал Асфауг, — и это создает луну, которая состоит в основном из падающей планеты, а не протоземли, что является серьезной проблемой, поскольку Луна имеет изотопная химия почти идентична Земле ».

В новом сценарии команды протопланета размером примерно с Марс ударяется о Землю, как и в стандартной модели, но немного быстрее, поэтому продолжает движение. Он возвращается примерно через 1 миллион лет после гигантского удара, который очень похож на стандартную модель.

«Двойное столкновение смешивает вещи гораздо больше, чем одно событие, — сказал Асфауг, — что могло бы объяснить изотопное сходство Земли и Луны, а также то, как второе, медленное, объединяющееся столкновение могло бы произойти в первую очередь».

Исследователи считают, что возникшая асимметрия в том, как планеты были собраны вместе, указывает путь к будущим исследованиям, касающимся разнообразия планет земной группы. Например, мы не понимаем, как Земля оказалась с магнитным полем, которое намного сильнее, чем у Венеры, или почему у Венеры нет луны.

Их исследования указывают на систематические различия в динамике и составе, согласно Asphaug.

«На наш взгляд, Земля накапливала бы большую часть своего материала в результате лобовых столкновений или медленнее, чем столкновения с Венерой», — сказал он. «Столкновения с Землей, которые были более наклонными и с большей скоростью, предпочтительно заканчивались на Венере».

Это привело бы к смещению, при котором, например, протопланеты из внешней солнечной системы с более высокой скоростью аккрецировались бы преимущественно к Венере, а не к Земле. Короче говоря, Венера могла состоять из материала, который Земле было труднее достать.

«Можно подумать, что Земля состоит в большей степени из материала внешней системы, потому что она ближе к внешней Солнечной системе, чем Венера. Но на самом деле, с Землей в этой авангардной роли, для Венеры повышается вероятность аккреции материала внешней Солнечной системы », — сказал Асфауг.