8 Minutės
Maždaug prieš 4,5 milijardo metų Marsą primenantis planetesimalas smogė jausiai Žemei ir sukūrė ištirpusią, chaotišką aplinką, kuri palaipsniui atvėso ir formavo Žemės–Mėnulio sistemą. Naujas izotopinis tyrimas rodo, kad šis smūgis sukėlėjas, vadinamas Theia, greičiausiai susidarė vidinėje Saulės sistemoje — galbūt kaip artimas proto-Žemės kaimynas. Toliau aprašyta, kaip mokslininkai atsekė Theia cheminį „pirštų atspaudą“ ir ką tai reiškia mūsų planetos ankstyvajai istorijai.
Planetų receptų skaitymas: izotopai kaip forensiniai žymekliai
Medžiagos, iš kurių kyla planetos, neša subtilius cheminius parašus. Izotopai — to paties elemento variantai, skirtingai turintys neutronų skaičių — išsaugo užuominas apie tai, kur ir kaip susidarė planetinė medžiaga. Naujoje bendroje analizėje, kuriai vadovavo Maks Planko Saulės sistemos tyrimų institutas (MPS) ir Čikagos universitetas, mokslininkai palygino izotopų santykius Žemėje, Mėnulyje ir įvairiuose meteorituose, siekdami rekonstruoti Theia kilmę.
„Objekto sudėtis saugo jo visą formavimosi istoriją, įskaitant kilmės vietą“, — apibendrina tyrimo prielaidą MPS kosmochemikas Thorstenas Kleine.
Tirpstančios planetos vėsdamos netolygiškai paskirsto elementus: sunkesni, metalams linkę elementai, tokie kaip geležis ir molibdenas, juda į branduolį, o kiti — pavyzdžiui cirkonis — išlieka mantijoje. Dėl tokio atskyrimo dabartinė planetos mantijos ir plutonos cheminė sudėtis atspindi tiek pradines statybines dalis, tiek vėlesnius priedus — ypač didelių smūgių metu įneštą medžiagą.
Analizė grindžiama aukštos tikslumo masės spektrometrija ir kruopščiu mėginių paruošimu, kuri leidžia atskirti dalykus milžiniškame duomenų sraute: izotopiniai skirtumai gali būti labai maži, bet reikšmingi. Tyrėjai vertino ne tik pagrindinius metalus, bet ir retuosius elementus, kurių izotopiniai santykiai mažiau paveikti vėlesnių geocheminių procesų — tokių kaip molibdenas (Mo) ar titanas (Ti). Tokie elementai veikia kaip patikimi „forensiniai žymekliai“, leidžiantys atsekti medžiagos kilmę protoplanetiniame diske.
Ne angliavandeniliniai vs angliavandeniliniai: meteoritas kaip vietos žymeklis
Norėdami susiaurinti Theia kilmės sritį, tyrėjai kreipėsi į meteoritus — gamtos laiko kapsules. Meteoritai, susidarę arčiau Saulės — vidinėje Saulės sistemoje — priskiriami ne angliavandeniliniams (non-carbonaceous, NC) tipams. Šie kietesni kūnai buvo iškepti saulės šilumos ir prarado lakiuosius komponentus, tokius kaip vanduo ir didelė dalis anglies. Toliau nuo Saulės, šaltesnėse zonose, susidarė angliavandeniliniai kondritai (carbonaceous chondrites, CC): drėgnesni, turtingesni anglimi ir cheminėmis savybėmis išsiskiriantys.
Chondritinių meteorų ploni pjūviai, kuriuose matomos savo vardą nešančios chondrulės — mažos į embedintos grūdelės.
Lygindami izotopinius santykius elementų, tokių kaip geležis, chromas, kalcis, titanas ir cirkonis, tyrėjai aptiko ryškų rezultatą: Mėnulio cheminis parašas labai artimas Žemės mantijai — tai patvirtina pagrindinę didžiojo smūgio hipotezės išeitį — tačiau kai kurie izotopai, susiję su Theia, neatitiko įprastinių Žemės statybinių blokų. Vietoj to, šie santykiai nukreipia į medžiagą, kilusią iš vidinio disko, su subtiliais skirtumais, kurie leidžia spėti, jog Theia galėjo formuotis net arčiau Saulės nei didelė dalis proto-Žemę sudariusios medžiagos.
Tokie palyginimai remiasi meteoritu klasifikacija: enstatitiniai kondritai ir kitos NC grupės pasižymi specifinėmis izotopinėmis parašomis, kurios skiriasi nuo CC grupės (pvz., CI ar CM kondritų). Enstatitinėms meteorų grupėms būdingas maistingas deguonies izotopų santykis ir žemesnis vandenilio bei anglies kiekis, todėl jos dažnai laikomos artimos Žemės formavimosi zonai. Nauji izotopiniai duomenys patvirtina, kad Theia medžiaga labiau atitinka tokius vidinės sistemos šaltinius nei išorinių regionų, turtingų anglimi, žaliavas.
Be to, izotopinė analizė leidžia atskirti ne tik platų porelį metalų, bet ir atsekti mažesnio masto heterogeniškumus diske: vietinės cheminės variacijos, įrašytos į mažus kietus kūnus, gali parodyti, ar Theia augo kaip atskiras, skirtingai maišytas embryonas ar kaupėsi iš to paties regiono kaip ir proto-Žemė.
Ką tai pasako apie Mėnulio susidarymo smūgį
Pirminis autoriaus ir MPS geoscientisto Timo Hoppo apibendrinimas skamba taip: „Įtikinamiausia scenarijaus versija yra ta, kad dauguma Žemės ir Theia statybinių blokų kilo vidinėje Saulės sistemoje. Žemė ir Theia, greičiausiai, buvo kaimynai.“ Jei tai teisinga, piešinys vaizduoja sausą, tankiai užpildytą vidinį protodisą, kur planetų embrionai susiformavo ir migravo per palyginti trumpus atstumus prieš susidūrimą.
Toks „kaimyniškas“ susidūrimas medžiagas sumaišytų kitaip nei smūgis išorinės Saulės sistemos objektu, kuris būtų atnešęs žymiai anglies turtingesnį ir izotopiškai kitokį parašą. Nauji izotopiniai apribojimai taip pat precizuoja gigantiško smūgio modelius: tai rodo, kad smogėjojo sudėtis iš esmės buvo panaši į vidinės Saulės sistemos medžiagas, bet vis tiek pakankamai skyrėsi, kad paliko aptinkamus pėdsakus Žemės–Mėnulio mėginiuose.
Tokie rezultatai turi įtakos ir konkretiems mechaniniams modeliams: klasikinis „kanoninis“ modelis (didysis smūgis, kuriame Theia buvo panašaus dydžio kaip Maras ir sudarė daug Mėnulio medžiagos) turi aiškinti tiek bendrą izotopinį panašumą tarp Žemės ir Mėnulio, tiek smogėjojo diskretinius skirtumus. Alternatyvūs modeliai — pavyzdžiui, smūgis su mažesniu, greičiau besisukančiu kūnu arba synestia idėja (laikinai išsiplėtusios, virto pavidalo disko būsena) — gali geriau paaiškinti, kaip medžiagos maišėsi, tačiau vis dar turi atitikti naujus izotopinius duomenis.
Izotopai suteikia laiko sluoksnį: jie ne tik nurodo vietą, bet ir leidžia suprasti, ar medžiaga iš Theia buvo iš karto inkorporuota į Žemę, ar žymiai vėliau dalyvavo akrecijoje. Tokie duomenys padeda modeliuoti temperatūrinius profilius, disko cheminių skirtumų mastą ir netgi mechaninius scenarijus, kaip kitos planetinės sistemos gali formuotis ir evoliucionuoti.
Platesnės pasekmės planetų formavimuisi
Šie atradimai svarbūs ne vien dėl vieno seno įvykio. Jie patvirtina scenarijų, kuriame vidinėje Saulės sistemoje egzistavo lokalizuotos cheminės variacijos — įsivaizduokite protoplanetarinį diską kaip prastai išmaišytą tešlą, kur kaimyninės kišenės turėjo šiek tiek skirtingas „receptūras“. Tos cheminės nehomogeniškumos vėliau paveldėjo formuojamos planetesimos ir protoplanetos.
Planetologams tai reiškia, kad rekonstruojant ankstyvosios Saulės sistemos dinamiką reikia ne tik orbitinių ir smūgių modelių, bet ir detalaus izotopinės kartografijos. Meteoritus kaip erdvinius žymeklius dabar galima naudoti saugiau: NC ir CC klasės suteikia erdvės ir temperatūros kontekstą, pagal kurį galima daryti prielaidas apie materijos kilmę ir pernašą diske.
Be to, šie rezultatai stiprina hipotezes apie planetinius migracijos mechanizmus: jei Theia ir proto-Žemė buvo netoliese, tai rodo, kad maži atstumai migracijoje ir akrecijoje buvo pakankami suformuoti didelius kūnus, bet nepakankami visiškam izotopiniam suvienodinimui. Toks reiškinys turi įtakos ne tik Saulės sistemai, bet ir exoplanetų sistemų interpretacijai — nedidelės vietinės cheminės variacijos gali lemti labai skirtingą planetų sudėtį, atmosferų vystymąsi ir potvynius gyvybei tinkamų sąlygų susidarymui.
Ateities tyrimams svarbios kelios kryptys: platesnė ir detalesnė meteoritu izotopinė bazė, tyrimai antžeminėse uolienose su didesniu laikiniu tikslumu, bei dar tikslesni mėginių grąžinimo tyrimai iš Mėnulio ir asteroidų (pvz., Hayabusa2, OSIRIS-REx). Kombinuoti duomenys — geocheminiai, izotopiniai ir modeliavimo įrodymai — lems gebėjimą tiksliau lokalizuoti Theia ir kitų ankstyvosios Saulės sistemos objektų kilmę.
Ekspertų įžvalga
„Izotopai yra planetų formavimosi fosilijos“, — sako dr. Lina Cortez, planetų mokslininkė, nepriklausanti tyrimui. „Šis darbas patikslina mūsų vaizdą apie vidinį diską ir parodo, kaip vietinė chemija gali įtakoti planetos tapatybę — net tarp labai artimų kaimynų. Rezultatas verčia modeliuotojus įtraukti smulkesnės masto cheminę struktūrą imituojant ankstyvosios Saulės sistemos susidūrimų dinamiką.“
Be akademinių pasekmių, tyrimas apšviečia vieną iš reikšmingiausių įvykių Žemės istorijoje: susidūrimą, kuris sukūrė Mėnulį. Šiandien Mėnulis toliau lėtai tolsta nuo Žemės maždaug 3,8 centimetro per metus — tai paukštelė arba aidėjimas iš senovinio, smurto kupino susidūrimo, kuris formavo sąlygas gyvybei mūsų planetoje.
Naujasis tyrimas publikuojamas žurnale Science ir prideda tikslumo ilgai besitęsiančiai Žemės kilmės istorijai, naudodamas pačius smulkiausius cheminius ženklus, kad atsakytų labai didelį klausimą: iš kur kilo Theia?
Šio darbo reikšmė kitoms disciplinoms — astrofizikai, geochemikai ir planetų dinamikos modeliuotojams — yra akivaizdi: išsamus izotopinis profilis leidžia sujungti įvairius duomenų sluoksnius ir sukurti nuoseklesnius, mažiau spekuliatyvius scenarijus. Tolesni eksperimentai, įskaitant papildomus mėginių tyrimus ir tikslinimus laboratorinėse technikose (pvz., daugkartinė izotopų analizė su dar aukštesne rezoliucija), turėtų dar labiau susiaurinti galimas Theia kilmės vietas ir jos vaidmenį Mėnulio formavime.
Galiausiai, diskusija apie Theia kilmę yra ir platesnė istorija apie tai, kaip mažos skirtumų detalės gali turėti didelių pasekmių kosminėje istorijoje: net šiek tiek skirtinga cheminė „receptūra“ šalia esančiame disko regione galėjo nulemti, kad vienas kūnas tapo Mėnuliu formuojančiu smogiku, o kitas — gyvybei palankią Žemę sudarančiu fragmentu.
Šaltinis: sciencealert
Palikite komentarą