Столкновение планет может спустить в планетах внутреннее давление

Новое исследование показывает, что гигантские удары могут резко снизить внутреннее давление планет, и это может существенно изменить современную модель планетарного формирования.

О результатах исследования рассказывают в Калифорнийском технологическом институте.

Такие удары, как например тот, как считается, что привел к образованию Луны у Земли примерно 4,5 миллиарда лет назад, могут вызвать произвольные колебания давления в ядре и мантии, что объясняет некоторые непонятные геохимические сигнатуры земной мантии.

"Предварительные учения ошибочно предполагали, что внутреннее давление планеты - просто функция массы планеты, и поэтому оно постоянно увеличивается по мере роста планеты. Мы показали, что давление может временно изменяться после серьезного удара с последующим долгосрочным повышением давления по мере восстановления тела после удара. Это открытие имеет серьезные последствия для химической структуры планеты и ее дальнейшей эволюции", - говорит Саймон Лок, научный сотрудник Калтех и ведущий автор статьи, объясняющей новую модель, которая была опубликована в "Science Advances" 4 сентября. Лок стал автором этой статьи вместе с коллегой Сарой Стюарт (имеет докторскую степень с 2002 года), профессором планетарных наук Калифорнийского университета в Дэвисе, стипендиатом МакАртура-2018 и выпускником отдела геологических и планетарных наук Калтеха.

Планетная система обычно начинается как диск из пыли, постепенно обростающей в скалистые тела. Конец основной стадии этого процесса характеризуется высокоэнергетическими столкновениями тел размером с планету, поскольку они сливаются, чтобы образовать конечные планеты.

Ударная энергия от этих столкновений может испарять значительные части планеты и даже - как считается, это произошло при ударе, который создал Луну, - временно превратить два сталкивающихся тела во вращающийся "пончик" планетарного материала, известный как "синестия", который впоследствии охлаждается назад в одно или несколько сферических тел.

Лок и Стюарт использовали вычислительные модели гигантских ударов и планетарных структур для имитации столкновений, которые образовывали тела массой от 0,9 до 1,1 масс Земли, и установили, что сразу после столкновения их внутреннее давление было значительно ниже, чем ожидалось. Они обнаружили, что снижение давления объясняется сочетанием факторов: быстрое вращение, вызванное столкновением, которое создает центробежную силу, действующую против гравитации, по сути отталкивая материал от оси вращения; и низкая плотность горячего, частично испаренного тела.

"У нас нет прямых наблюдений за ростом планет, подобных Земле. Оказывается, физические свойства планеты могут сильно меняться при их росте путем столкновений. Наш новый взгляд на формирование планеты гораздо более изменчив и энергичный, чем предыдущие модели, что открывает двери для новых объяснений предварительных данных", - говорит Стюарт.

Конечный результат заключается в том, что серьезные удары могут значительно снизить внутреннее давление планеты. Давление сразу после удара, подобного тому, который, как считается, создал Луну, мог бы быть наполовину меньше, чем в современной Земли.

Если это правда, открытие может помочь примирить старое противоречие между геохимией земной мантии и физическими моделями планетного формирования.

По мере роста прото-Земли каждый предмет, который столкнулся с ней, доставлял металл в мантию. После каждого удара металл впитывал из мантии небольшое количество других элементов, а затем опускался к ядру, захватывая эти элементы с собой. Количество каждого элемента, который растворился в металле, частично определялось внутренним давлением Земли. Таким образом, химический состав мантии на сегодняшний день описывает давление мантии от самого формирования планеты.

Исследование металлов в земной мантии сегодня свидетельствуют, что этот процесс поглощения проходил под давлением, выявленным сейчас в середине мантии. Тем не менее, модели гигантских ударов показывают, что такие удары плавят большую часть мантии, и потому мантия должна была зафиксировать значительно большее давление - эквивалентное тому, что мы видим чуть выше ядра. Эта аномалия между геохимическими наблюдениями и физическими моделями - это то, что ученые давно пытаются объяснить.

Показав, что давление после гигантских ударов было ниже, чем считалось ранее, Лок и Стюарт, возможно, нашли физический механизм для решения этой загадки.

В дальнейшем Лок и Стюарт планируют использовать свои результаты для вычисления того, как стохастические изменения давления при формировании влияют на химическую структуру планет. Лок говорит, что они также продолжат изучать, как планеты восстанавливаются от травм после гигантских ударов. "Мы показали, что давление на планетах может резко возрастать, когда планета восстанавливается, но какое влияние это имеет то, как застывает мантия или как на Земле образовалась первая кора? Это совершенно новая область, которую еще нужно изучить", - отметил он.

Читайте еще интересные новости о космосе.