Впечатление художника о формировании Земли — из хондритовых астероидов слева и из планетезималей справа. Предоставлено: ETH Цюрих.

Необъяснимое несоответствие

«Преобладающая теория в астрофизике и космохимии состоит в том, что Земля образовалась из хондритовых астероидов. Это относительно небольшие простые блоки камня и металла, которые сформировались на ранней стадии Солнечной системы», — объясняет ведущий автор исследования Паоло Сосси, профессор экспериментальной науки. Планетология в ETH Zurich. «Проблема с этой теорией заключается в том, что никакая смесь этих хондритов не может объяснить точный состав Земли, которая намного беднее легкими летучими элементами, такими как водород и гелий, чем мы ожидали».

Различные гипотезы были выдвинуты на протяжении многих лет, чтобы объяснить это несоответствие. Например, постулировалось, что столкновения объектов, позже сформировавших Землю, генерировали огромное количество тепла. Это испарило легкие элементы, оставив планету в ее нынешнем составе.

Однако Сосси убежден, что эти теории становятся неправдоподобными, как только вы измеряете изотопный состав различных элементов Земли: «Все изотопы химического элемента имеют одинаковое количество протонов, хотя и разное количество нейтронов. Изотопы с меньшим количеством нейтронов легче и, следовательно, должно быть легче уйти. Если бы теория испарения при нагревании была верна, мы бы нашли сегодня на Земле меньше этих легких изотопов, чем в первоначальных хондритах. Но это именно то, чего изотопные измерения не показывают. "

Космический плавильный котел

Поэтому команда Сосси искала другое решение. «Динамические модели, с помощью которых мы моделируем формирование планет, показывают, что планеты в нашей Солнечной системе формировались постепенно. Маленькие зерна со временем превратились в планетезимали километрового размера, накапливая все больше и больше материала за счет своего гравитационного притяжения. — объясняет Сосси. Подобно хондритам, планетезимали также представляют собой небольшие тела из камня и металла. Но в отличие от хондритов они достаточно нагреты, чтобы дифференцироваться в металлическое ядро ​​и скалистую мантию вокруг молодого солнца или в разное время могут иметь очень разные химические составы», — добавляет Сосси. Теперь вопрос заключается в том, действительно ли случайная комбинация разных планетезималей приводит к составу, который соответствует составу Земли.

Чтобы выяснить это, команда провела симуляции, в которых тысячи планетезималей сталкивались друг с другом в ранней Солнечной системе. Модели были разработаны таким образом, что со временем были воспроизведены небесные тела , соответствующие четырем скалистым планетам Меркурию, Венере, Земле и Марсу. Моделирование показывает, что смесь множества различных планетезималей может фактически привести к эффективному составу Земли. Более того, состав Земли является даже наиболее статистически вероятным результатом этих симуляций.

Схема для других планет

«Несмотря на то, что мы подозревали это, мы все же нашли этот результат очень замечательным», — вспоминает Сосси. «Теперь у нас есть не только механизм, который лучше объясняет формирование Земли, но и ссылка на объяснение образования других скалистых планет», — говорит исследователь. Этот механизм можно использовать, например, для предсказания того, насколько состав Меркурия отличается от состава других каменистых планет. Или как могут состоять каменистые экзопланеты других звезд.

«Наше исследование показывает, насколько важно учитывать как динамику, так и химию при попытке понять формирование планет», — отмечает Сосси. «Я надеюсь, что наши результаты приведут к более тесному сотрудничеству между исследователями в этих двух областях».