Астрономія
Астрономія

Сонячний магнетизм звинуватили у зменшенні вмісту заліза на планетах

Астрономи розробили модель, яка описує зміну щільності, маси та кількості заліза у ядрах кам'янистих планет, залежно від того, наскільки далеко вони розташовані від Сонця. Згідно з нею існує градієнт, за якою вміст металів у їхньому ядрі зменшується з віддаленням від зірки та її магнітного впливу. Тому магнітне поле Сонця у своїй статті у Progress in Earth and Planetary Science вчені назвали відповідальним за величезні розміри ядра Меркурія за відносно невеликої мантії.

Меркурій у спектрометрі MASCS (Mercury Atmospheric and Surface Composition Spectrometer) корабля MESSENGER. NASA / Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Carnegie Institution of Washington

Меркурій у спектрометрі MASCS (Mercury Atmospheric and Surface Composition Spectrometer) корабля MESSENGER. NASA / Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Carnegie Institution of Washington

Що не так з ядрами планет?

Планети земної групи — Меркурій, Венера, Земля і Марс — складаються з трьох шарів: металевого ядра, силікатної оболонки і кори, що є наслідком часткового плавлення мантії. Кожен шар має різні домінуючі елементи — наприклад, збільшення вмісту заліза ближче до ядра та збільшення вмісту кисню на поверхні. Склад ядер на планетах земної групи сильно впливає на їхню теплову і біологічну еволюцію. Так наприклад, калій, торій і уран у ядрах концентрують тепло і впливають на утворення магнітного поля, що захищає від космічних променів, а ядро Землі зосереджує 90 відсотків необхідного для вуглецевих форм життя фосфору. Однак, масова частка металевого ядра Меркурію, Венери, Землі і Марсу зменшується зі збільшенням відстані від Сонця у співвідношеннях приблизно від 3/4 у Меркурія та до 1/3 на Марсі. І поки немає однозначної теорії на пояснення процесів, що вплинули на остаточний об'ємний склад цих планет і зокрема призвели до появи такої щільної і багатої металами планети, як Меркурій.

До чого тут Сонце?

Зірки і планети утворюються в результаті гравітаційного колапсу молекулярних хмар, а тому і планети земної групи є залишками акреції Сонця та мають подібний з ним склад, не враховуючи незначний внесок сторонніх речовин (кілька частин на мільйон) в Сонячну систему. Орбіти та рух Сонця і планет вказують на спільну газопилову хмару, про хімічний склад якої ми знаємо з хондритів — найпоширеніших метеоритів, що шляхом акреції пилу також утворилися з протопланетної хмари, яка оточувала Сонце.

Хондрити на 93 відсотки складаються з кисню, магнію, кремнію та заліза — ці ж елементи ми знаходимо й на всіх планетах земної групи. Але ми спостерігаємо зовсім інакші варіації цих елементів в хондритах і планетах, що вчені пояснюють різним впливом аеродинамічних, гравітаційних, сонячних і електромагнітних сил. Причому найбільше їм піддаються металеві сплави, порівняно із силікатами.

Як воно могло зменшити ядра?

За допомогою хондр метеорита Семаркона вдалося визначити, що один з його складових матеріалів — олівін — був намагнічений на 54 мікротесла. Це означає, що фонові магнітні поля в області формування планет земної групи ймовірно становили від 5 до 54 мікротесла, причому вже за 3-4 мільйони років після зародження Сонячної системи воно слабшає на 20 мікротесла. Ці спостереження підтверджують і зменшення напруженості магнітного поля туманності зі збільшенням геліоцентричної відстані і часу після її зародження. Хронологічні дослідження планетних матеріалів і моделей планетарної акреції показують, що Земля і Марс швидко росли протягом перших 2 мільйонів років після зародження Сонячної системи, хоча їхня остаточна акреція тривала більше 10 мільйонів років. Таким чином, цілком імовірно, що планети земної групи сформувалися під більш сильним магнітним полем Сонця в порівнянні з більш молодими зовнішніми метеоритними матеріалами. Тому вчені вважають, що зовнішнє зменшення щільності заліза відображає динамічний розподіл оксидів металів в протопланетному диску, а не післяакреційні процеси.

Тверде металеве ядро, оточене рідким шаром, мантією та корою / University of Maryland

Тверде металеве ядро, оточене рідким шаром, мантією та корою / University of Maryland

Продемонструвати свою теорію дослідники вирішили за допомогою моделей хімічного складу планет — за ними добре видно, як під час раннього формування нашої Сонячної системи, молоде Сонце притягувало своїм магнітним полем частинки заліза. Згідно з моделлю, усереднена за часом напруженість магнітного поля під час формування планет становила 0,3-3 мілітесла на Меркурії, 0,1-1 у Землі, та вже 3-300 мікротесла на відстані 2, 5 астрономічних одиниць.Так, коли планети почали формуватися зі згустків пилу і газу, розташовані ближче до Сонця, містили більше заліза в своїх ядрах, ніж ті, що знаходилися далі. Потім, з охолодженням Сонця, той газ і пил, що не встигли на нього потрапити, почали злипатися. Охолоджуючись, вони потрапляли у ядра планет, а тому Меркурію, як найближчому, пощастило заволодіти великим залізним ядром, яке становить 83 відсотки від обсягу і 60 відсотків від маси.

Що там з Меркурієм?

Нове дослідження суперечить гіпотезі про те, чому Меркурій має велике ядро ​​в порівнянні з його мантією. Так досі вчені стверджували, що через раптові зіткнення з іншими тілами ще під час формування Сонячної системи, більша частина скелястої мантії Меркурія «здулася», а тому залишилося велике щільне металеве ядро. Але за моделлю вчених, у великому ядрі винен сонячний магнетизм, бо вік утворення Меркурія можна порівняти із Марсом, а вміст заліза у їхніх ядрах значно відрізняється.

Тепер за вмістом заліза можна вираховувати місце формування об'єктів, а модель також можна пристосувати і до екзопланет, якщо краще вивчити їхній хімічний склад, тим паче, що тепер доведеться враховувати вплив магнітного поля їхніх батьківських зірок.