Kaip Žemė ir Marsas susiformavo visiškai skirtingai

Žemė ir Marsas gimė toje pačioje jaunos Saulės apylinkėje, tačiau jų sudėtys tapo akivaizdžiai skirtingos. Tas skirtumas nėra keistybė. Tai pirštų atspaudas, likęs nuo to, kaip kiekvienas pasaulis susikūrė, kai Saulės sistema dar buvo chaotiška statybvietė.

Žemė susiformavo prieš maždaug 4,5 milijardo metų iš dulkių, uolienų ir dujų aplink jaunąją Saulę. Laikui bėgant ši medžiaga susidurdavo ir susiliejo į augančią planetą, o intensyvi šiluma, smūgiai ir vidinis tirpimas padėjo formuoti Žemės branduolį, mantiją, plutą ir galų gale sąlygas, kurios leido atsirasti gyvybei.

Kodėl dvi gretimos planetos pasakoja tokias skirtingas istorijas

Naujas darbas, kuriam vadovavo Globe institutas prie Kopenhagos universiteto, rodo, kad Žemė ir Marsas augo skirtingais tų pačių formavimosi procesų deriniais. Pirmu įspūdžiu tai atrodo prieštarauti intuicijai. Jei dvi planetos susiformuoja šalia viena kitos, ar jos neturėtų turėti bendros kilmės istorijos? Nebūtinai.

Planetų augimas gali vykti keliais būdais. Vienas yra smurtinis: kilometro dydžio planetesimalai susiduria ir susilieja, kuriant vis didesnius kūnus per serijas energingų smūgių. Kitas yra subtilesnis: grūdelių akrecija, kai centimetrų iki metrų dydžio dalelės efektyviai įtraukiamos augančios proplanetos gravitacijos ir dujų traukos. Abi mechanikos gali veikti kartu, o jų pusiausvyra keičia planetos cheminę sudėtį ir šiluminę istoriją.

Kopenhagos komanda sujungė cheminius duomenis apie planetų vidų su skaitiniais modeliais, kad patikrintų, kurie suformavimo scenarijai atitinka šiandien matomą Žemės ir Marso būklę. Jų išvada: Žemė ir Marsas yra giminaičiai su skirtingu auklėjimu. Žemės masė, regis, daugiausia siejama su dviem masyviais proplanetais, kurie greitai išaugo įsisavindami grūdelius, o Marsas labiau primena planetesimalų mozaiką.

Grūdelių, planetesimalų ir lakiųjų užuominų istorija

Pagrindiniai įrodymai remiasi lakiųjų elementų, tokių kaip natrio, cinko ir kalio, pasireiškimu. Šie elementai lengviau garuoja esant aukštai temperatūrai, todėl jų dabartinis kiekis planetos plutoje ir mantijoje saugo užuominas apie šilumą ir perdirbimą, vykusį formavimosi metu. Juos galima laikyti termometrais ir laiko kapsulėmis vienu metu.

Sulyginę modeliuotus akrecijos scenarijus su tais cheminiais pėdsakais, mokslininkai įvertino, kad bent trys ketvirtadaliai Žemės masės kilę iš dviejų proplanetų, kurie išaugo daugiausia per grūdelių akreciją, o likusią dalį sudaro planetesimalai. Marsas rodo beveik priešingą pasiskirstymą: apie 75 procentus jo masės, regis, kilę iš planetesimalų, o apie 25 procentus iš grūdelių akrecijos.

Tas skirtumas yra svarbus. Grūdelių dominavimu grįstas augimas paprastai būna greitas ir gali kitaip įkaitinti bei sumaišyti medžiagas nei planeta, suformuota daugiausia iš didesnių susidūrimų. Temperatūros istorija lemia, kiek lakiųjų elementų išliks, o tai savo ruožtu veikia vandens tiekimą ir gyvybei reikalingų junginių atsargas.

Ribos ir prielaidos

Nė vienas modelis nėra be neapibrėžtumo. Pradinė Saulės sistemos dulkių ir uolienų sudėtis nėra tiksliai žinoma. Komanda išbandė keletą pradinių prielaidų ir nustatė, kad Žemės ir Marso kontrastas išliko, net jei tikslūs procentai kito. Palyginti su izotopais grįstomis rekonstrukcijomis, kurios gali turėti kelias interpretacijas, šis cheminiais duomenimis ir modeliais pagrįstas požiūris stengiasi tiesiogiau apibūdinti fizinius procesus, kurie lėmė augimą.

Kodėl tai svarbu už Saulės sistemos ribų

Uolinių planetų formavimosi mechanikų supratimas duoda aiškią naudą. Planetos formavimosi kelias padeda nustatyti, kiek lakiųjų medžiagų ji išlaiko, įskaitant vandenį. Tai daro įtaką paviršiaus sąlygoms, atmosferos susidarymui ir ilgalaikiam tinkamumui gyvybei. Jei grūdelių akrecija dažnai lemia interjerus, skurdžius lakiųjų elementų, o planetesimalais dominuojantis augimas išsaugo daugiau lakiųjų medžiagų, tada formavimosi istorija tampa esminiu veiksniu vertinant, ar egzoplanetos gali turėti vandenynus arba tinkamas atmosferas gyvybei.

Čia naudotas metodas galėtų būti pritaikytas apibūdinti tolimas uolines planetas, kai tik galėsime patikslinti jų bendrą sudėtį. Spektrai, suderinti su patobulintais modeliais, galėtų galiausiai atskleisti, ar egzoplaneta augo per grūdelius, planetesimalus ar jų mišinį. Tai perkeltų mus nuo paprastos pagal dydį ir atstumą klasifikacijos prie formavimosi pagrindu sudarytos uolinių planetų taksonomijos.

Ekspertų įžvalga

„Šie rezultatai verčia mus vertinti planetų giminaičius kaip atskirus individus, o ne kaip identiškas kopijas“, sako dr. Mira Solano, planetų mokslininkė iš Jėgos propulsijos laboratorijos. „Žinojimas, kaip planeta susiformavo, suteikia kontekstą viskam, nuo magnetinio lauko istorijos iki gebėjimo išlaikyti vandenį. Svarbu ne tik tai, kur planeta susiformavo, bet ir kaip ji ten pateko.“

Kopenhagos tyrimas pertvarko įprastą pasakojimą: erdvinė artuma nebūtinai reiškia panašią kilmę. Žemės santykinai grūdelių gausus formavimasis ir Marso planetesimalais dominuojanti praeitis rodo įvairias architektūras, kurios gali atsirasti vienoje planetų sistemoje. Tą įvairovę svarbu turėti omenyje, kai teleskopai ir misijos renka vis detalesnius cheminių pėdsakų duomenis apie planetas netoliese ir tolimose vietose.