Žemės tinkamumo gyvybei ištakos: kosmocheminis požiūris

Žemės tinkamumo gyvybei pradžia: kosmocheminė perspektyva

Vienas iš pagrindinių mokslinių klausimų yra, kodėl iš visų akmeninių planetų Saulės sistemoje būtent Žemė yra išskirtinai tinkama gyvybei atsirasti ir klestėti. Aplink mus išsidėsčiusios šaltos ir negyvos planetos, o mūsų planeta tapo gyvybės lopšiu. Naujausi pasiekimai kosmochemijos srityje – moksle, nagrinėjančiame, kaip cheminiai elementai pasiskirstę kosmose – vis aiškiau atskleidžia kosminius įvykius, kurie galėjo nulemti Žemės palankumą gyvybei.

Ankstyvieji Saulės sistemos procesai: chaoso sukurtos galimybės

Prieš maždaug 4,5 milijardo metų naujai susiformavusi Saulės sistema buvo kupina chaoso. Iš dujų ir dulkių debesų formavosi planetos, o planetesimalės (mažesni tvirti dariniai) ir planetų embrionai (didesni kūnai) dažnai susidurdavo ir susiliedavo. Skirtingai nei šiandien, tuo metu Saulės sistemos tvarka buvo nuolat laužoma dažnais didelės energijos smūgiais, kurie suformavo dabartinę planetų architektūrą.

Tokioje aplinkoje Žemė gavo daug anglingųjų kondritų – pirminių, anglimi gausių meteoritų, kuriuose buvo lakieji elementai, vanduo ir sudėtingi organiniai junginiai, pavyzdžiui, aminorūgštys. Manoma, kad net 5–10 % Žemės masės sudaro šie anglingi kūnai, atnešti per intensyvaus bombardavimo epochą. Didysis susidūrimas su objektu, vadinamu Theia, tikėtina, ne tik sukūrė Mėnulį, bet ir galėjo būti pagrindinis būdas atgabenti šias būtinas medžiagas į Žemę.

Kosmocheminiai įrodymai: Anglingieji ir neanglingieji meteoritai

Planetų moksle meteoritai paprastai skirstomi į dvi pagrindines grupes: anglinguosius kondritus (CC) ir neanglinguosius meteoritus (NC). CC susidarė toliau nuo Saulės, už Jupiterio orbitos, kur dėl žemesnės temperatūros galėjo kauptis vandens ledas ir organinės medžiagos. Šie meteoritai gausūs lakiaisiais elementais – esminėmis planetų tinkamumui gyvybei sudedamosiomis dalimis. Tuo tarpu NC, pavyzdžiui, geležiniai meteoritai, susiformavo arčiau Saulės ir pasižymi mažesniu lakiųjų medžiagų kiekiu.

Toks suskirstymas rodo, kad Saulės sistemoje egzistavo du pagrindiniai medžiagos rezervuarai. Didesnis nei įprasta CC kiekis Žemėje gali rodyti išskirtinį šių medžiagų atgabenimo mechanizmą ankstyvojoje planetos evoliucijoje, galimai susijusį su Mėnulio formavimusi.

Teorijų patikra Saulės sistemos modeliavimu

Norėdamas patikrinti hipotezę, kad su Theia susijęs susidūrimas galėjo atgabenti gausų anglingųjų medžiagų kiekį, Duarte Branco vadovaujama mokslininkų grupė iš Astrofizikos ir kosminių mokslų instituto Lisabonoje atliko išsamius dinamikos modeliavimus. Jų tyrimas (bus publikuojamas žurnale „Icarus“) taikė išplėstinius N-kūnų modeliavimo metodus, kuriais sekama daugiaobjekčių gravitacinių sąveikų eiga planuotojų formavimosi pabaigos etapu.

Branco komanda simulavo skirtingus scenarijus, kai kietosios medžiagos būdavo padalytos į mažas planetesimales, didelius planetų embrionus ar šių mišinius. Bandymuose buvo stebima, kaip CC ir NC medžiagos galėjo migruoti ir kauptis besiformuojančiose planetose skirtingomis Saulės sistemos aplinkybėmis.

Didžiųjų planetų vaidmuo: Jupiterio ir Saturno gravitacinė įtaka

Svarbus šių modeliavimų elementas yra vadinamasis „Nicos modelis“, kuris apibūdina, kaip Jupiteris ir Saturnas po savo susiformavimo pakeitė orbitas. Šie judesiai sukėlė stiprius gravitacinius trikdžius ir paskleidė anglingą medžiagą (CC) iš išorinės Saulės sistemos į vidinį regioną, kuriame yra Žemė.

Atlikę modeliavimus su ir be šios „planetinės nestabilumo“ fazės, tyrėjai išnagrinėjo, kaip šie įvykiai paveikė anglingų kondritų patekimą į Žemę ir Marsą. Paaiškėjo, kad planetų migracija, ypač Jupiterio orbitoje, gerokai padidino CC medžiagų kiekį Žemėje.

Theia susidūrimas – katalizatorius gyvybei palankiai chemijai

Pagrindinis šių tyrimų akcentas – galimas jaunos Žemės ir Theia (Marsą primenančio protoplanetos) susidūrimas. Ankstesni geocheminiai tyrimai leidžia manyti, kad Theia buvo gausi anglingųjų medžiagų, todėl būtų buvusi ideali anglingų kondritų „vežėja“.

Modeliavimo rezultatai rodo, kad scenarijuose, kuriuose dalyvauja dideli planetų embrionai ir mažos planetesimalės, paskutinioji milžiniška susidūrusi kūno dalis – Theia – daugiau kaip pusėje visų bandymų buvo gausi CC medžiagų. Apie 38,5 % atvejų susidūręs objektas buvo „švarus“ anglingas embrionas, dar 13,5 % – neanglingas kūnas, anksčiau susiliejęs su CC turinčiu objektu.

Tyrimas stipriai palaiko teoriją, kad Mėnulį suformavęs susidūrimas ne tik pakeitė Žemės Mėnulį, bet ir praturtino planetą gyvybei svarbiais cheminiais elementais – visų pirma vandeniu ir angliarūgščių junginiais.

Susidūrimai, migracija ir uolinių planetų formavimasis

Modeliai atskleidžia, kad ankstyvąją Saulės sistemą sudarė du koncentriniai uolienų žiedai: vidinis, kuriame vyravo akmeniniai kūnai, ir išorinis, kupinas anglingųjų kondritų. Mėlynieji milžinai (Uranas ir Neptūnas), migruodami į vidų, savo gravitacija pasiuntė daugybę CC planetesimalių į vidinę Saulės sistemą, papildydami formuojamas planetas lakiosiomis medžiagomis. Dalis šios medžiagos liko asteroidų žiede, o didesni kūnai buvo nukreipti susidurti su Žeme ir kitomis artimomis planetomis.

Modeliuose stebima, kaip vyksta serija milžiniškų susidūrimų tarp didesnių embrionų ir mažesnių planetesimalių. Šias susidūrimus papildė retesni, bet svarbūs smūgiai su CC gausiais objektais iš išorinės sistemos. Tokia raida aiškina ne tik skirtingas planetų mases ar orbitas, bet ir cheminę jų sudėtį – pavyzdžiui, Marsas turi žymiai mažiau CC medžiagų nei Žemė, ką nuosekliai paaiškina šie modeliai.

Paskutinio milžiniško susidūrimo laikas

Branco komandos modeliai rodo, kad lemiamas Mėnulio formavimosi smūgis įvyko praėjus 5–150 milijonų metų po dujų disko išnykimo, daugumoje atvejų per 20–70 milijonų metų. Šis laikotarpis dera su žinomais geocheminiais ir Mėnulio kilmės duomenimis.

Pažymėtina, kad anglingieji kūnai buvo atgabenami didžiąją Žemės ankstyvosios istorijos dalį, tačiau pagrindinis srautas susitelkė į chaotišką Mėnulio susidarymo laikotarpį.

Platesnė reikšmė: Jupiterio rolė ir gyvybei tinkamų pasaulių mįslė

Ne vien tik Žemės cheminio „praturtinimo“ požiūriu, šie rezultatai pabrėžia Jupiterio – milžiniškos planetos – svarbą. Jupiterio migracija padėjo suformuoti asteroidų žiedo ribas ir, svarbiausia, nukreipė anglinguosius kūnus į vidinę, gyvybei tinkamą Saulės sistemą. Šis unikalus dinaminis ir cheminis scenarijus akcentuoja, kiek daug sąlygų turi išsipildyti, kad planeta, kaip Žemė, taptų tinkama biologinei evoliucijai.

„Remiantis šiuo scenarijumi, paskutinis milžiniškas susidūręs kūnas dažniausiai turėjo anglingą komponentą“, pažymi autoriai. Didžiojoje dalyje atvejų Theia pati buvo švarus anglingas kūnas, o likusieji per ankstesnius susiliejimus buvo praturtėję anglimi.

Tyrimo rezultatai yra itin svarbūs ieškant gyvybės už Saulės sistemos ribų. Būti „gyvybinėje zonoje“ gali nepakakti – planetos cheminė sudėtis priklauso nuo daugybės neeilinių įvykių grandinės: milžiniškų susidūrimų, planetų migracijos ir lakiųjų elementų pristatymo iš tolimesnių sričių.

Išvados

Nauji dinaminiai modeliai įtikinamai patvirtina hipotezę, kad Žemės gyvybingumui ir net jos biosferai didelę reikšmę turėjo Mėnulio formavimąsi lėmęs susidūrimas su anglingu kūnu. Ši unikali įvykių seka – ankstyvosios planetų formavimosi chaosas, milžiniškų planetų migracija ir palankus susidūrimas su Theia – padėjo Žemei įgyti vandenį bei organinių medžiagų. Toks rafinuotas atsitiktinumų derinys primena, kokios trapios buvo gyvybės atsiradimo sąlygos. Tyrinėdami egzoplanetų sistemas, suvokiame, kad Žemės kelias į gyvybingumą priklausė ne vien nuo padėties kosmose, bet ir nuo itin sudėtingos kosminės choreografijos, kurios retumą tik pradedame suvokti.