9 Minutės
Merkurijaus per didelis branduolys: ilgai trunkanti mįslė
Merkurijus yra viena iš Saulės sistemos užsispyrusių paslapčių: jo branduolys yra neproporcingai didelis palyginti su silikatine mantija ir pluta. Žemės pagrindiniai radiopalikimai 1960–1970 m. pirmieji nurodė į aukštą ilgalaikį Merkūrijaus tankį, o vėlesnės praskridimo ir orbitinės misijos — ypač Mariner 10 (1975) ir NASA orbiteris MESSENGER (2011–2015) — patvirtino, kad turtingas geležies branduolys sudaro neįprastai didelę planetos masės dalį. Kai Žemės branduolys suvartoja maždaug 30 % planetos masės, o Marso — apie 25 %, Merkurijaus branduolys sudaro apytikriai 70 % jo masės. Toks metalų ir silikatų santykis iššūkį meta tradiciniams planetų formavimosi modeliams ir verčia peržiūrėti ankstesnes prielaidas apie vidinių planetų evoliuciją.
Stipriai kontrastuojančios cheminio sudėties sritys Merkurijuje, žemėlapyje nubrėžtos MESSENGER XRS įrenginiu
Tyrėjai jau seniai siūlė, kad katastrofinis didžiulis smūgis galėjo nuskandinti ar nuplėšti didžiąją dalį Merkūrijaus pradinės mantijos, palikdamas ploną silikatų sluoksnį virš dominuojančio metalo interjero. Tačiau tradiciniai milžiniško smūgio modeliai dažniausiai reikalauja susidūrimo tarp labai skirtingų masių objektų — proto-Merkurijus būtų pataikytas daug mažesnio projektilo — ir išsamios N-ties kūnų (N-body) simuliacijos rodo, kad tokios labai asimetriškos kolizijos ankstyvoje Saulės sistemoje buvo statistiškai retos. Todėl mokslininkai ieško alternatyvių mechanizmų, kurie paaiškintų tiek fizinį rezultatą, tiek įvykio tikimybę ankstyvoje planetų formavimosi fazėje.
Nauja hipotezė: braižantys smūgiai tarp panašios masės kūnų
2025 m. Nature Astronomy publikuotas tyrimas (Franco ir kt.) pristato alternatyvą, kuri sprendžia tiek fizinius procesus, tiek statistinę įvykio tikimybę. Naudodami aukštos raiškos sušvelninto dalelių hidrodinamikos (SPH) simuliacijas, autoriai parodo, kad žemo greičio, braižantis (grazing) susidūrimas tarp dviejų panašios masės protoplanetų gali atkurti Merkurijaus esamą masę ir aukštą metalų bei silikatų santykį su įspūdingu tikslumu — jų modeliai atitinka Merkurijaus savybes maždaug per 5 %.
Šis braižančio smūgio modelis iš esmės skiriasi nuo klasikinių „smūgis-ir-nulupti" (hit-and-strip) scenarijų tuo, kad smūgis nebūtinai turi kilti nuo daug mažesnio kūno. Vietoj to, du panašios masės planetiniai embrionai — kiekvienas judėjęs ir evoliucionuojantis užimtoje, chaotiškoje vidinėje Saulės sistemos dalyje — gali susidurti kelių dešimtųjų kampu, kuris pirmenybę teikia silikatų mantijos nuplėšimui, paliekant tankų geležies branduolį daugiausia nepažeistą. Kadangi panašios masės susidūrimai ankstyvoje vidinėje sistemoje buvo kur kas dažnesni, šis mechanizmas yra tiek dinamiškai, tiek statistiškai labiau tikėtinas nei ankstesnės hipotezės.
Kaip veikia simuliacijos ir ką jos rodo
Sušvelninto dalelių hidrodinamika (SPH) yra gerai įtvirtintas skaitmeninis metodas, skirtas modeliuoti skysčių ir kietųjų medžiagų elgseną per aukštos energijos sąveikas, tokias kaip planetų kolizijos. SPH dalija kiekvieną objektą į tūkstančius ar milijonus atskirų „dalelių", kurioms priskiriamos termodinaminės ir medžiaginės savybės; jų trajektorijos ir tarpusavio sąveikos integruojamos, siekiant sekti smūgio bangas, lydymą, garinimą ir gravitacinį pakartotinį sujungimą. Tokios simuliacijos leidžia išsamiai analizuoti šokų plitimą per silikatus ir metalus, šilumos paskirstymą bei medžiagos frakcijavimą per skirtingus temperatūros ir slėgio režimus.
Simuliacijų ekrano kopijos demonstruoja, kaip vyko smūgis. „Proto-Merkurijus (0.13 M⊕) vaizduojamas rožine mantija ir žydrožaliau branduoliu. Tikslas vaizduojamas raudona mantija ir geltonu branduoliu", paaiškina autoriai. Smūgio greitis yra palyginti mažas, o smūgio kampas — 32,5 laipsnio. (b) ir (c) rodo smūgį ir medžiagos išsiveržimą. (d) demonstruoja Merkūrijaus kandidato likutį su 0,056 Žemės masės, kuris yra labai arti išmatuotos 0,055 Žemės masės. (Franco ir kt., NatAstr., 2025)
Franco su kolegomis atliko dešimtis SPH bandymų, keičiant smūgio kampą, greitį ir pradinę sudėtį. Jų preferuojama konfigūracija apėmė braižantį susidūrimą kampu apie 30–35 laipsnius ir palyginti žemu santykiniu greičiu. Toks smūgis gali nuplėšti iki ~60 % protoplaneto mantijos ir tokiu būdu padidinti likusios planetos metalų dalį, nevisiškai sužlugdydamas geležies branduolį. Svarbiausias aspektas — simuliacijos demonstruoja sprendinius, kuriuose reikšminga dalis mantijos nuolaužų įgauna ištraukimo trajektorijas ir nebegrįžta į išgyvenusį objektą, todėl metalų ir silikatų disbalansas gali išlikti ilgą laiką.
Kur dingo nuplėšta mantija?
Pagrindinis masės nuplėšimo modelio iššūkis yra paaiškinti, kodėl nuplėštoji mantijos medžiaga negrįžo atgal ant išlikusios planetos. Naujojo darbo autoriai nurodo kelis mechanizmus, kurie ankstyvoje Saulės sistemoje galėjo trukdyti efektyviam pakartotiniam akrecijai. Tai apima gravitacinį išsklaidymą artimų planetesimalų ir kitų embrionų, dinamines sąveikas su formuojančiomis kaimyninėmis planetomis ir nuolaužų perkėlimą į gretimas orbitas. Tam tikrais modeliuotais scenarijais dalis išmestos silikatų medžiagos galiausiai integruojasi į netoliese esančius kūnus — Venera yra realistiškas gavėjas tam tikromis orbitalinėmis sąlygomis, nors toks konkretus kelias reikalauja papildomų dinamikos ir geocheminių patikrinimų. Be to, dalis medžiagos galėjo būti išmesta į saulės artimą regioną, kur vėlesnės tarpusavio sąveikos su mažais kūnais ir dujų likučiais užkirto kelią jos sugrįžimui.
Taip pat svarbu paminėti, kad mantijos nuostoliai nebūtinai turi būti vienareikšmiškai „prarasti" visam laikui — didelė dalis gali būti perdirbta į asteroidus ar integruota į kitų protoplanetų augimą, o dalis gali patekti į Saulės link, kur augantis šiluminis ir spindulinis poveikis pakeitė jų cheminę atmintį. Tokie niuansai yra esminiai vertinant, kaip vienas smūgis gali palikti ilgalaikį, pastebimą cheminį signalą likusioje planetoje.
Mokslinis kontekstas ir pasekmės planetų formavimuisi
Jeigu Merkurijus susidarė dėl braižančio susidūrimo tarp panašios masės embrionų, šis įvykis turi plačias implikacijas vidinių planetų formavimosi modeliams. Tai sustiprina ankstyvos vidinės Saulės sistemos vaizdą kaip dinamiškai smurtinę aplinką, kurioje protoplanetos formavosi per pasikartojančius netoli prasilenkimus ir susijungimus, o ne per retų, labai asimetriškų smūgių dominavimą. Tokia paradigma remia idėją, kad vidinių planetų cheminės ir fizinės savybės gali būti ženkliai pakeistos vieno ar kelių stochastinių įvykių metu.
Be to, tyrimas pabrėžia dinamikos ir geochemijos sąveiką: planetos masinė sudėtis gali būti stipriai paveikta vieno atsitiktinio susidūrimo, tačiau šis įvykis turi būti suderinamas su kolizijų pasiskirstymu, kurį prognozuoja N-body modeliai. Franco ir kt. atlieka abiejų reikalavimų sujungimą, parodydami, kad braižantis smūgis yra ne tik geofiziškai įmanomas, bet ir dinamiškai tikėtinas. Tai suteikia tvirtesnį mechaninį pagrindą aiškinant Merkurijaus anomalijas, lyginant jas su kitų vidinių planetų istorijomis.
Taip pat verta pastebėti platesnį kontekstą: milžiniški smūgiai yra laikomi esminiais formuojant Mėnulį, taip pat galėjo turėti reikšmės Veneros, Žemės ir Marso ankstyvajai evoliucijai. Kiekvienas toks susidūrimas palieka unikalų cheminį ir izotopinį pėdsaką, kurį galima bandyti atkurti per meteoritų analizę, planetines misijas ir, ateityje, mėginių pargabenimus. Skirtingi smūgių mechanizmai — asimetriški „mažas į didelį" smūgiai prieš braižančius, panašios masės susidūrimus ir net kaskadinius susidūrimus — turi skirtingas prognozes dėl medžiagos sklaidymo ir atkurimo, todėl kiekvieno jų svarba turi būti įvertinta kompleksiškai.
Misijų duomenys ir tolesni patikrinimai
MISIJOS, tokios kaip MESSENGER, suteikė geofizinius ir cheminius apribojimus, dėl kurių Merkurijus tapo tokia patrauklia tyrimų sritimi. Žvelgiant į ateitį, ESA/JAXA misija BepiColombo — atvykstanti į Merkurijų 2026 m. — turi daugiau nei 20 mokslinių instrumentų, skirtų tikslinti planetos vidinės struktūros, magnetinio lauko ir paviršiaus sudėties matavimus. Aukštos tikslumo gravitacijos ir magnetiniai duomenys gali geriau apriboti branduolio dydį ir būseną (kietasis vidinis branduolys kontra skystasis išorinis branduolys) bei pateikti patikimesnes vertes bendro tankio ir inercijos momento įvertinimui.
BepiColombo instrumentų duomenys galėtų patikslinti ir tokius parametrus kaip šerdies lydimosi taškai, magnetosferos struktūra ir paviršinės cheminės anomalijos, kurios visi kartu padeda atsakyti į klausimą, ar vienas didelis įvykis galėjo užprogramuoti Merkūrijaus dabartinį ženklą. Kartu su tolesnėmis žemės ar kosminėmis meteoritų paieškomis, kiekvienas instrumentas turi potencialą apriboti leistiną smūgio istoriją ir pateikti nepriklausomus patikrinimus SPH modeliams.
Geocheminiai tyrimai būtų ypač svarbūs braižančio smūgio modelio validavimui arba falsifikavimui. Refraktyviųjų ir lakiųjų elementų išsamių santykių raštai, izotopinių santykių (pvz., žemės ir tungstenio izotopiniai santykiai) analizė Merkurijui panašių meteorų atvejais (jei tokie būtų identifikuoti) ir, idealus atvejis, pargabenti mėginiai iš Merkurijaus patvirtintų bet kokio didelio masto mantijos nuplėšimo cheminius pėdsakus. Tokie duomenys galėtų atskleisti, ar prarastoji mantija buvo praturtinta tam tikrais elementais ar izotopiniais žymenimis, kurie būtų būdingi nukirstai mantijai, arba ar medžiaga buvo pertvarkyta prieš integruojantis į kitus kūnus.
Ekspertės įžvalga
Dr. Lena Ortiz, planetų mokslininkė Planetų fizikos institute, komentuoja: "Bračiančio dvynių smūgio modelis elegantiškai suderina du esminius apribojimus: Merkurijaus itin metalinę sudėtį ir statistinę labai nelygių susidūrimų retumą. Jis perkelia pasakojimą nuo labai išskirtinio įvykio prie natūralesnės formavimosi dinamikos pasekmės. Kitas žingsnis — sujungti detalesnę geochemiją su patobulintais dinaminiais modeliais, kad įvertintume, ar prognozuojamos nuolaužų trajektorijos atitinka realistiškas saugyklas, tokias kaip Venera arba vidinė asteroido populiacija."
Išvados
Merkurijaus didžiulis branduolys nebėra privaloma panaudoti teoriją apie itin retą smūgį. Aukštos raiškos SPH simuliacijos rodo, kad braižantis susidūrimas tarp panašios dydžio protoplanetų gali efektyviai nulupti mantiją, paliekant tankų geležies branduolį daugiausia nepažeistą. Ši scenarija yra dinamiškai tikėtina ankstyvoje, užimtoje vidinėje Saulės sistemoje ir sugeba atkurti Merkurijaus metalų ir silikatų santykį iki kelių procentų tikslumu. Besitęsiantys ir būsimi stebėjimai — ypač BepiColombo misijos duomenys — kartu su būsima geocheminė analize bus esminiai, kad patikslintume šią hipotezę ir gilintume supratimą, kaip uolinės planetos įgyja savo vidinę struktūrą.
Galiausiai verta pabrėžti, kad Merkurijaus istorija yra labiau nei vien tik teorinis galvosūkis: ji atspindi bendresnes planetologijos temas apie medžiagos migraciją, akreciijos efektyvumą ir chaotišką jaunųjų planetinių sistemų dinamiką. Gilinimasis į tokius atvejus pagerina mūsų gebėjimą interpretuoti ne tik mūsų saulei priklausančias sistemas, bet ir egzoplanetų masių ir sudėčių įvairovę, kurią dabar pastebime per teleskopus ir kosmines misijas visame kosmose.
Šaltinis: sciencealert
Komentarai