Земля оказалась гибридом: как наша планета зародилась в одном кольце, а достраивалась в другом

Стандартная модель формирования Солнечной системы предполагала, что планеты земной группы сформировались из широкого, относительно однородного диска пыли и газа, который простирался от Солнца до современных орбит пояса астероидов. Твердые частицы сталкивались, слипались в планетезимали (небольшие каменистые тела), а те, в свою очередь, под воздействием взаимной гравитации объединялись в полноценные планеты.

На бумаге этот процесс выглядит логично, но при компьютерном моделировании он всегда приводил к результатам, которые противоречат реальному устройству нашей планетной системы. У классической теории есть две неразрешимые проблемы. Первая — проблема массы. Если распределить строительный материал равномерно, симуляции неизбежно создают Марс и Меркурий, чья масса сопоставима с массой Земли или Венеры. В реальности же Марс весит всего около 10% от земной массы, а Меркурий — лишь 5%. Вторая проблема — проблема орбит. В равномерном диске Венера и Земля формируются на слишком большом расстоянии друг от друга, тогда как в действительности их орбиты расположены достаточно близко.

Научное сообщество пыталось решить эту проблему различными способами. Одной из самых известных попыток стала гипотеза «Великого галса». Она предполагала, что на ранних этапах развития системы Юпитер мигрировал близко к Солнцу, очистил пространство от лишнего материала своей огромной гравитацией, а затем вернулся на свою нынешнюю орбиту. Однако последние данные гидродинамики показывают, что в газовом диске с низкой вязкостью — а именно таким, судя по всему, был диск молодого Солнца — подобное возвратное движение Юпитера крайне маловероятно.

Другие исследователи пробовали сузить изначальный пылевой диск в симуляциях до узкого кольца. Это решало проблему массы Марса, но не могло объяснить происхождение Меркурия и не давало правильного расстояния между Землей и Венерой. Более того, физика орбит — это лишь часть проблемы. Данные космохимии, полученные при анализе метеоритов, показывают, что Земля и Марс имеют принципиально разный изотопный состав. Это означает, что они физически не могли сформироваться из одного и того же массива материала.

Группа исследователей из Юго-Западного исследовательского института (США) и Обсерватории Лазурного берега (Франция) опубликовала в The Astronomical Journal результаты работы, которая решает эту комплексную проблему. Используя мощности суперкомпьютеров NASA, ученые провели тысячи симуляций гравитационного взаимодействия множества тел (N-body симуляции). Они отследили весь процесс формирования планет — от появления первых твердых тел до финальных столкновений крупных протопланет, учитывая влияние газа и химический состав изначального вещества. Результатом стала новая модель с двумя изолированными источниками формирования планет.

Два источника материи и механизм обратной миграции

Согласно новой модели, изначальный строительный материал во внутренней части Солнечной системы не был распределен равномерно. Процесс формирования планетезималей концентрировался в двух пространственно разделенных зонах.

Первая зона — внутреннее кольцо, расположенное на расстоянии от 0.4 до 0.6 астрономических единиц (а.е.) от Солнца. Эта область совпадает с так называемой линией сублимации силикатов. Из-за высоких температур вблизи молодой звезды большинство химических соединений находилось в газообразном состоянии. По мере остывания диска именно на этой дистанции силикаты начали переходить в твердую форму, создавая плотное скопление каменистого материала, бедного летучими веществами и кислородом.

Вторая зона — внешний резервуар, расположенный на расстоянии от 1.5 до 2.0 а.е. Температуры здесь были значительно ниже, что позволило конденсироваться материалам с другим химическим составом, содержащим больше кислорода (окисленные породы).

Главный вывод исследования заключается в том, что Земля и Венера изначально начали формироваться во внутреннем кольце, то есть гораздо ближе к Солнцу, чем они находятся сейчас. Чтобы занять свои современные орбиты (0.7 а.е. для Венеры и 1.0 а.е. для Земли), этим планетам потребовалось переместиться наружу. Этот процесс обеспечила газовая динамика протопланетного диска.

Планеты, находящиеся в газовом диске, испытывают так называемую миграцию I типа. Гравитация растущей планеты создает волны плотности в окружающем газе. Газ, в свою очередь, воздействует на планету, изменяя ее орбитальный момент. В стандартных условиях плотность газа убывает по мере удаления от звезды, что приводит к потере планетой углового момента и ее медленному падению к центру системы.

Однако молодое Солнце генерировало мощные магнитные поля, которые вызывали магнитно-управляемые ветры. Эти ветры ионизировали и удаляли значительные объемы газа из самых внутренних областей диска. В результате профиль плотности газа изменился: на расстоянии около 1 а.е. образовалась зона максимального газового давления. Плотность газа увеличивалась по мере удаления от Солнца вплоть до этой отметки. Такой положительный градиент плотности изменил направление взаимодействия газа и планет: крутящий момент стал положительным, и массивные зародыши Земли и Венеры начали мигрировать наружу. Движение остановилось только тогда, когда планеты достигли зоны, где градиент давления газа выравнивался и физическое воздействие на их орбиты прекращалось.

Дефицит массы Меркурия и Марса

Модель двух кольцевых зон и газовой миграции дает точное физическое объяснение малым размерам Меркурия и Марса.

Меркурий зародился там же, где Земля и Венера — в самом центре внутреннего кольца на дистанции около 0.4 а.е. Однако физика взаимодействия с газом напрямую зависит от массы объекта. Изначальная масса прото-Меркурия оказалась недостаточной для того, чтобы газовый диск смог существенно изменить его орбиту. В то время как более массивные прото-Земля и прото-Венера перемещались на более высокие орбиты, Меркурий остался на своем первоначальном месте.

Оставшись в зоне с малым количеством доступного материала, он не смог нарастить массу. Более того, симуляции показывают, что орбитальная динамика в этой зоне приводила к частым высокоскоростным касательным столкновениям между оставшимися небольшими телами. Такие разрушительные удары способны физически сорвать внешнюю силикатную оболочку (мантию) с формирующейся планеты. Это объясняет геологическую аномалию Меркурия: сегодня его плотное металлическое ядро составляет около 70% от общей массы планеты, что нехарактерно для других тел Солнечной системы. Мантия Меркурия была утрачена в результате столкновений на раннем этапе.

Сценарий формирования Марса объясняется событиями во внешнем резервуаре (1.5-2.0 а.е.). Изначально в этой зоне сформировалось несколько десятков протопланет, масса которых была сопоставима с массой современного Марса. По мере того как прото-Земля мигрировала наружу, ее увеличивающаяся гравитация дестабилизировала орбиты этих объектов. Тела из внешнего резервуара начали сближаться с Землей и сталкиваться с ней, интегрируясь в ее состав. Современный Марс — это единственная крупная протопланета, которой удалось избежать столкновения с мигрирующей Землей. Растущая Земля поглотила большую часть твердого материала в этой области, остановив дальнейший процесс аккреции для Марса. Этим обусловлена его небольшая масса.

Геохимические доказательства и происхождение Луны

Точность астрофизической модели подтверждается ее полным соответствием геохимическим данным. Изучение состава мантии Земли показывает, что планета не могла сформироваться исключительно из материала одной зоны. Баланс таких соединений, как оксид кремния и оксид железа, требует определенной пропорции сильно восстановленных (бедных кислородом) и окисленных пород.

Данные симуляции показывают именно такой процесс сборки. В ходе роста прото-Земля сначала аккумулировала материал из внутреннего кольца, набрав около 70% своей финальной массы из восстановленных высокотемпературных пород. Затем, по мере продвижения к орбите 1 а.е., Земля поглотила материал из внешнего резервуара, присоединив оставшиеся 30% окисленной массы. Марс, сформировавшийся и оставшийся во внешней зоне, на 90% состоит из материала этого удаленного резервуара. Это объясняет, почему анализ марсианских метеоритов показывает изотопный состав, фундаментально отличающийся от земного.

Кроме того, модель предлагает решение проблемы происхождения Луны. Согласно доминирующей теории, Луна образовалась в результате столкновения Земли с крупной протопланетой — Тейей. Главным затруднением этой гипотезы оставалось то, что изотопный состав кислорода, титана и других элементов на Земле и на Луне практически идентичен. Если бы Тейя прибыла из внешних областей Солнечной системы, Луна имела бы совершенно другую химическую сигнатуру.

Модель двух резервуаров доказывает, что Тейя сформировалась в том же самом внутреннем кольце (на отметке 0.5 а.е.), что и Земля. Обе планеты поглощали один и тот же исходный материал и синхронно мигрировали на более высокие орбиты под воздействием газового диска. Столкновение объектов, обладающих идентичным химическим составом, закономерно привело к формированию спутника с тем же изотопным профилем, что и у планеты-мишени.

Архитектура внутренних планет Солнечной системы формировалась не случайным образом, а подчинялась строгим законам физики газовых сред и орбитальной механики. Текущее расположение планет, их масса и химический состав являются прямым следствием двухэтапного процесса аккреции, который происходил в строго ограниченных температурных зонах и направлялся эволюцией газового диска раннего Солнца.

Источник: The Astronomical Journal