Зіткнення планет може спустити в планетах внутрішній тиск

Нове дослідження показує, що гігантські удари можуть різко понизити внутрішній тиск планет, і це може суттєво змінити сучасну модель планетарного формування.

Про результати дослідження розповідають в Каліфорнійському технологічному інституті.

Такі удари, як наприклад той, як вважається, що спричинив утворення Місяця у Землі приблизно 4,5 мільярда років тому, можуть спричинити довільні коливання тиску в ядрі та мантії, що пояснює деякі незрозумілі геохімічні сигнатури земної мантії.

"Попередні вчення помилково припускали, що внутрішній тиск планети - просто функція маси планети, і тому він постійно збільшується в міру зростання планети. Ми показали, що тиск може тимчасово змінюватися після серйозного удару з подальшим довгостроковим підвищенням тиску по мірі відновлення тіла після удару. Це відкриття має серйозні наслідки для хімічної структури планети та її подальшої еволюції", - каже Саймон Лок, науковий співробітник Калтех і провідний автор статті, що пояснює нову модель, яка була опублікована в "Science Advances" 4 вересня. Лок став автором цієї статті разом з колегою Сарою Стюарт (має докторську ступінь з 2002 року), професором планетарних наук Каліфорнійського університету в Девісі, стипендіатом МакАртура 2018 року та випускником відділу геологічних і планетарних наук Калтеху.

Планетна система зазвичай починається як диск з пилу, який поступово обростаєтся у скелясті тіла. Кінець основної стадії цього процесу характеризується високоенергетичними зіткненнями тіл розміром з планету, оскільки вони зливаються, щоб утворити кінцеві планети.

Ударна енергія від цих зіткнень може випаровувати значні частини планети і навіть, - як вважається, це сталося при ударі, який утворив Місяць, - тимчасово перетворити два тіла, що зазнають зіткнення, в "пончик" з планетарного матеріалу, що обертається, відомий як "синестія", який згодом охолоджується назад в одне або кілька сферичних тіл.

Лок і Стюарт використовували обчислювальні моделі гігантських ударів і планетарних структур для імітації зіткнень, які утворювали тіла масою від 0,9 до 1,1 мас Землі, і встановили, що одразу після зіткнення їх внутрішній тиск був значно нижчим, ніж очікувалося. Вони виявили, що зниження тиску пояснюється поєднанням факторів: швидке обертання, викликане зіткненням, яке створює відцентрову силу, що діє проти гравітації, по суті відштовхуючи матеріал від осі обертання; і низька щільність гарячого, частково випареного тіла.

"У нас немає прямих спостережень за зростанням планет, подібних Землі. Виявляється, фізичні властивості планети можуть сильно змінюватися під час їх зростання шляхом зіткнень. Наш новий погляд на формування планети набагато більш мінливий і енергійний, ніж попередні моделі, що відкриває двері для нових пояснень попередніх даних", - каже Стюарт.

Кінцевий результат полягає в тому, що серйозні удари можуть значно знизити внутрішній тиск планети. Тиск одразу після удару, подібного до того, який, як вважається, утворив Місяць, міг би бути наполовину меншим ніж у сучасної Землі.

Якщо це правда, відкриття може допомогти примирити давнє протиріччя між геохімією земної мантії та фізичними моделями планетного формування.

У міру зростання прото-Землі кожен предмет, який зіткнувся з нею, доставляв метал у мантію. Після кожного удару метал вбирав з мантії невелику кількість інших елементів, а потім опускався до ядра, захоплюючи ці елементи з собою. Кількість кожного елемента, який розчинився в металі, частково визначалася внутрішнім тиском Землі. Таким чином, хімічний склад мантії насьогодні описує тиск мантії від самого формування планети.

Дослідження металів у земній мантії сьогодні свідчать, що цей процес поглинання відбувався під тиском, виявленим зараз в середині мантії. Тим не менш, моделі гігантських ударів показують, що такі удари плавлять більшу частину мантії, і тому мантія повинна була зафіксувати значно більший тиск - еквівалентний тому, що ми бачимо трохи вище ядра. Ця аномалія між геохімічними спостереженнями та фізичними моделями - це те, що вчені давно намагаються пояснити.

Показавши, що тиск після гігантських ударів був нижчим, ніж вважалося раніше, Лок і Стюарт, можливо, знайшли фізичний механізм для вирішення цієї загадки.

Надалі Лок і Стюарт планують використовувати свої результати для обчислення того, як стохастичні зміни тиску при формуванні впливають на хімічну структуру планет. Лок каже, що вони також продовжать вивчати, як планети відновлюються від травм після гігантських ударів "Ми показали, що тиск на планетах може різко зростати, коли планета відновлюється, але який вплив це має на те, як застигає мантія або як на Землі утворилася перша кора? Це абсолютно нова область, яку ще потрібно вивчити", - зазначив він.

Читайте ще цікаві новини про космос.