Ученые, вероятно, выяснили, откуда на самом деле появилась Земля: почему геохимики отказались от теории смешанного происхождения

Общепринятая теория гласит, что планеты земной группы формировались во внутренней части Солнечной системы — в непосредственной близости от молодого, раскаленного Солнца. В таких условиях легкие и летучие химические элементы должны были испариться, оставив после себя лишь сухой, каменистый материал. Поэтому наличие на Земле воды, углерода, азота и других летучих веществ требовало научного объяснения.

Чтобы разрешить это противоречие, исследователи выдвинули гипотезу смешанной аккреции. Предполагалось, что на ранних этапах Земля действительно формировалась из сухого местного материала, но позже подверглась массированной бомбардировке метеоритами из внешней, более холодной части Солнечной системы. Считалось, что именно эти объекты доставили на планету недостающие химические элементы.

Новое исследование швейцарских геохимиков Паоло Сосси и Дэна Бауэра, опубликованное в ведущем профильном журнале Nature Astronomy, эту устоявшуюся модель полностью опровергает. Проведя анализ изотопного состава метеоритов и земных пород, ученые доказали: Земля сформировалась исключительно из материала внутренней Солнечной системы, и для объяснения ее химического состава не требуется привлекать вещество из дальнего космоса.

Изотопная летопись и проблема классификации

Чтобы понять, как именно формировались планеты миллиарды лет назад, ученые исследуют изотопные аномалии. Изотопы — это атомы одного и того же химического элемента, которые отличаются друг от друга только количеством нейтронов в ядре, а значит, и массой. Соотношение различных изотопов в веществе остается неизменным с момента его формирования. По сути, это химическая подпись, которая указывает, в недрах какой звезды или при каком космическом процессе образовались атомы до того, как они попали в протопланетный диск вокруг молодого Солнца.

Изучая метеориты, падающие на Землю, планетологи разделили их на две основные категории, отражающие так называемую изотопную дихотомию Солнечной системы:

1. Неуглистые метеориты (NC) — объекты, образовавшиеся во внутренней, теплой части системы.
2. Углистые метеориты (CC) — объекты, сформировавшиеся на далеких орбитах (за современной орбитой Юпитера), сохранившие в себе много летучих веществ.

Проблема заключалась в том, что состав силикатной оболочки Земли (всей массы планеты за вычетом металлического ядра) невозможно было однозначно отнести ни к одной из этих групп. Когда ученые анализировали изотопы таких элементов, как титан или хром, математические модели показывали, что Земля состоит из местного (NC) материала с добавлением примерно 6% внешнего (CC) вещества. Но когда исследователи пытались применить ту же логику к более тяжелым элементам, например, к молибдену, уравнения показывали, что доля внешнего материала должна составлять уже около 40%.

Такая математическая несостыковка создала серьезный кризис в планетологии. Физически невозможно, чтобы по одним химическим показателям планета состояла из чужеродного вещества на 6%, а по другим — на 40%. Пытаясь спасти модель смешанного происхождения, теоретики начали предполагать, что в космосе существовали некие промежуточные, ныне исчезнувшие классы метеоритов, или что ядро Земли формировалось совершенно иначе, чем ее поверхность. Теория становилась все более сложной и запутанной.

Многомерный анализ против бинарных смесей

Авторы нового исследования выявили главную причину этих несостыковок. Все предыдущие выводы строились на анализе лишь одной или двух изотопных систем одновременно. Сосси и Бауэр решили отказаться от такого узкого подхода и проанализировали данные сразу по десяти различным изотопным аномалиям.

В их базу данных вошли элементы с совершенно разными физическими и химическими свойствами: кальций, титан, хром, железо, никель, цинк, молибден, цирконий и рутений. Для обработки этого массивного объема данных ученые применили метод байесовского латентного факторного анализа. Это алгоритм, который позволяет находить скрытые закономерности в многомерном пространстве, учитывая погрешности измерений каждого отдельного образца.

Результаты этого анализа оказались математически безупречными. Алгоритм показал, что если расположить параметры всех известных метеоритов внутренней Солнечной системы (неуглистых) на одном графике, они формируют линейную зависимость. Изотопный состав Земли идеально ложится на ее прямое продолжение абсолютно по всем десяти химическим элементам.

Гомогенная аккреция и структура протопланетного диска

Вывод исследователей гласил, что химический состав Земли полностью соответствует характеристикам вещества внутренней Солнечной системы. Компьютерные симуляции, проведенные в рамках исследования, доказали, что максимальная допустимая доля углистых (внешних) метеоритов в массе нашей планеты составляет менее 0,1%. Это означает, что концепция массированной доставки веществ из дальнего космоса больше не требуется для объяснения свойств Земли.

Кроме того, исследование подтверждает модель однородной аккреции. Это значит, что материал, из которого строилась планета, не менял своего изотопного состава с течением времени. То вещество, которое опустилось в центр планеты и образовало железное ядро, изначально имело те же изотопные характеристики, что и вещество, оставшееся на поверхности в виде мантии и коры.

Как же тогда объяснить наличие различий между самими метеоритами внутренней группы и Землей? Ученые предлагают пересмотреть взгляд на структуру протопланетного газопылевого диска. Долгое время предполагалось, что планеты собирались из дискретных, четко разделенных классов астероидов. Однако новые данные указывают на то, что протопланетный диск имел непрерывный химический градиент.

Концентрация различных изотопов плавно менялась в зависимости от расстояния до Солнца. Метеориты, находимые учеными сегодня — это лишь случайные осколки, сформировавшиеся на узких, специфических орбитах. Земля же формировалась как крупное тело, которое вобрало в себя весь спектр доступного материала на своей орбите. Ее химический состав — это точное усредненное значение локального участка протопланетного диска.

Предсказание состава неизведанных планет

Самым важным аспектом любой новой научной модели является ее способность делать предсказания, которые можно будет проверить в будущем. Модель Сосси и Бауэра предоставляет такую возможность, описывая архитектуру всей внутренней Солнечной системы.

Исследователи обнаружили, что изотопная дистанция между известными объектами — Землей, Марсом и астероидом Веста — математически строго коррелирует с радиусом их орбит и их массой. Распределение массы и химических характеристик в ранней Солнечной системе подчиняется функции Гаусса (нормальному распределению), вершина которого находится вблизи современной орбиты Земли.

Поскольку параметры Земли и Марса идеально описываются этим распределением, ученые смогли рассчитать ожидаемый изотопный состав Венеры и Меркурия. До сих пор у человечества нет ни одного подтвержденного образца грунта с этих планет, поэтому их точный химический состав остается загадкой.

Согласно расчетам швейцарских исследователей, Венера и Меркурий располагаются на дальних краях выявленного распределения. Это означает, что их изотопные характеристики должны быть гораздо более экстремальными по сравнению с земными. Они формировались в условиях высочайших температур и нестабильности газа в непосредственной близости от молодой звезды.

Проверить точность этих математических предсказаний наука сможет только в ближайшие десятилетия, когда космические агентства реализуют миссии по забору и доставке грунта с Венеры и Меркурия. Однако уже сейчас проведенный анализ закрывает одну из самых долгих дискуссий в науках о Земле: наша планета сформировалась из местного материала, и вся ее эволюция была предопределена изначальными условиями на ее орбите.

Источник: Nature Astronomy