Согласно небулярной теории, Солнечная система возникла примерно 4,5 миллиарда лет назад из массивного аккреционного диска газа и пыли, вращавшегося вокруг Солнца. Однако вопросы о том, как именно образовались планеты, до сих пор остаются открытыми. Учёные рассматривают два возможных сценария: либо планеты сформировались в результате столкновений крупных каменистых тел (планетезималей), либо за счёт постепенного накопления мелких частиц (гальки) этими планетезималями.
Новое исследование Университета Копенгагена предоставило свидетельства, способные разрешить этот спор. Применив оригинальный метод, специалисты восстановили самые ранние этапы формирования планет, проанализировав их химический состав. Полученные данные указывают на то, что объяснить происхождение каменистых планет, таких как Земля и Марс, может гибридная модель, объединяющая оба пути. Это может иметь значение для изучения экзопланет.
Работу возглавили доцент Хайян С. Ван и профессор Андерс Йохансен из Центра звёзд и формирования планет, входящего в Институт Globe Университета Копенгагена. В исследовании также участвовали специалисты из Института физики частиц и астрофизики ETH Zürich, Невадского центра астрофизики (NCfA), Лаборатории луны и планет и ряда других университетов. Статья с результатами опубликована в научном журнале Nature Astronomy.
Метод команды основан на анализе конкретных элементов в коре и мантии Земли и Марса. Особое внимание уделялось летучим элементам, таким как натрий, цинк и калий, которые имеют относительно низкие температуры плавления и испаряются при высоких температурах. По содержанию этих элементов учёные могут определить, какие процессы происходили с планетой во время её формирования.
«Это настоящая детективная работа — выяснить, что произошло тогда, когда большая часть доказательств давно исчезла, — заявил Йохансен в пресс-релизе Института Globe. — Но даже спустя 4,5 миллиарда лет состав мантии Земли и Марса остаётся неизменным. Их можно рассматривать как отпечаток процесса формирования».
Совместив данные с продвинутым статистическим моделированием, исследователи рассчитали наиболее вероятные сценарии образования обеих планет. Результаты показали, что летучие элементы теряются из мелких частиц по мере их движения к поверхности планеты. Судя по их относительному содержанию на Земле и Марсе, планеты формировались по-разному: Марс преимущественно за счёт столкновений планетезималей, а Земля в основном началась как две протопланеты, которые росли путём аккреции гальки. Как резюмировал Ван:
«Самым неожиданным результатом стало то, что Земля и Марс, по-видимому, сформировались разными способами. Можно было бы ожидать, что две планеты, образовавшиеся бок о бок в одной солнечной системе, будут иметь более схожую историю формирования.
Как минимум 75 процентов массы Земли, вероятно, происходят от двух молодых планет, известных как протопланеты, которые выросли за счёт аккреции гальки, тогда как планетезимали внесли до 25 процентов. Напротив, примерно три четверти массы Марса, по-видимому, приходятся на планетезимали, а оставшаяся четверть — на аккрецию гальки».
Исследователи подчёркивают, что их выводы основаны на статистическом моделировании, которое содержит неопределённости. К ним относится предположение о химическом составе аккреционного диска молодой Солнечной системы, из которого впоследствии сформировались планеты. Кроме того, исходя из сходства Марса с Землёй, было сделано допущение, что строительные блоки-планетезимали по химическому составу близки к астероиду Веста.
Наконец, традиционно считается, что летучие элементы теряются эффективнее при аккреции гальки, чем при гигантских столкновениях. Но, как отметил Ван, даже после корректировки результатов с учётом этих допущений основной вывод остаётся прежним:
«Точные проценты могут несколько варьироваться, но наши анализы неизменно указывают на то, что Земля и Марс сформировались двумя разными способами. Наш метод даёт более точный и прямой способ понимания формирования планет, чем более широко используемый изотопный подход, который часто допускает множественные интерпретации».
Более того, лучшее понимание путей формирования каменистых планет может помочь в ongoing поиске обитаемых экзопланет. Космический телескоп Nancy Grace Roman Space Telescope, запущенный 30 августа, оснащён Wide Field Instrument (широкоугольным инструментом) и полем зрения как минимум в 100 раз больше, чем у телескопа Hubble.
Обсерватория Habitable Worlds Observatory (HWO), запуск которой запланирован на 2040-е годы, будет обладать ещё более мощным разрешением и чувствительностью. Вместе с наземными обсерваториями, сочетающими большие главные зеркала с адаптивной оптикой (АО), эти инструменты смогут характеризовать экзопланеты, определяя их химический состав. Это критически важно для установления того, способны ли они поддерживать жизнь, то есть являются ли они «обитаемыми».
«Если мы поймём, как планеты теряют летучие элементы во время своего формирования, мы также сможем лучше предсказывать, сколько воды и других жизненно важных веществ они в конечном итоге сохранят», — сказал Йохансен.
Дополнительная информация: The Globe.