Астрономія
Астрономія

Зовнішня Сонячна система не взяла участі у формуванні Землі і Марса

17 марсіанських метеоритів у порівнянні із земними хондритами вказали на непричетність матеріалу із зовнішньої Сонячної системи до формування планет земної групи. Планетологи дійшли висновку, що будівельним матеріалом Землі і Марса стала частина внутрішнього протопланетного диска Сонця, не зачеплена метеоритами. Вклад зовнішньої ж частини вплинув всього на чотири відсотки Землі і Марса. Робота опублікована у Science Advances.

Mark A. Garlick / markgarlick.com

Mark A. Garlick / markgarlick.com

Звідки взялися Земля і Марс?

Матеріальною базою для формування планет слугують їхні власні світила: зоря народжується у своїй молекулярній хмарі внаслідок колапсу, у результаті чого з'являється щільна хмара з газу і пилу, яка не потрапляє на ядро зірки, а вилітає назовні. Від характеристик цього диску власне і залежить кількість планет, їхній склад та фізичні особливості. І приблизно 4,6 мільярда років тому, коли наша Сонячна система тільки формувалася, з її будівельного матеріалу мали сформуватися і планети. Однак щодо планет земної групи — Меркурія, Венери, Землі та Марса — у планетологів немає єдиної думки. Існують два принципово різні процеси, в результаті яких вони могли з'явитися.

Перший припускає, що ці планети є результатом акреції матеріалу з внутрішньої (до 3 астрономічних одиниць від Сонця) частини протопланетного диска Сонця в планетезималі. Після того, як газ розсіявся, була тривала фаза взаємних зіткнень між планетними зародками, що призвело до появи планет земної групи. Другий сценарій говорить про те що на них вплинули зародки міліметрового розміру з околиць Сонячної системи (від 3 до 7 астрономічних одиниць від Сонця), що дрейфують через опір газу. Така «галька» набагато ефективніше може формувати планетні ядра гігантських планет, а тому цілком імовірно, що вона могла взяти участь і у формуванні планет земної групи.

Ілюстрація двох сценаріїв формування планет.  Christoph Burkhardt et al. / Science Advances, 2021

Ілюстрація двох сценаріїв формування планет. Christoph Burkhardt et al. / Science Advances, 2021

Обидва ці сценарії можливі динамічно, тому теоретично довести чи спростувати лише один із них не можна. Тож відповідь потрібно шукати в походженні акреційного матеріалу, оскільки тоді за співвідношенням матеріалів із зовнішньої і внутрішньої Сонячної системи можна буде точно визначитися з теорією принаймні для Марса і Землі. Цим і зайнялася група планетологів із інститутів Німеччини, Франції та США.

Де шукати сліди ранньої історії планет?

Кількість матеріалу зовнішньої Сонячної системи, який могли акреціювати на себе планети, можна визначити з допомогою нуклеосинтетичних ізотопних аномалій. Вони виникають через неоднорідний розподіл досонячних зерен, що входять до складу первинних метеоритів.

Зокрема, ці ізотопні аномалії дають змогу розрізняти невуглецеві та вуглецеві метеорити, які, найімовірніше, репрезентують внутрішню та зовнішню сонячну систему відповідно. Таким чином, ізотопний склад Землі та Марса за співвідношенням цих метеоритів допоможе визначити, скільки матеріалу зовнішньої сонячної системи потрапило до планет, коли вони тільки формувалися.

У чому тоді проблема планетологів?

І на цьому думки вчених теж розділилися. Деякі дослідження дійшли висновку, що Земля і Марс значною мірою сформувалися з матеріалу внутрішньої сонячної системи, судячи з вмісту невуглецевих метеоритів у понад 95 відсотків. Інші стверджують про наявність від 30 до 50 відсотків вуглецевих метеоритів, що у свою чергу узгоджується зі сценарієм про зовнішню частину Сонячної системи. Отже навіть ізотопні дані не можуть розрізнити дві моделі утворення планет земної групи.

Проте попередні дослідження не врахували, що кількість вуглецевих метеоритів Землі неможливо точно визначити. Вони лише робили конкретні припущення у тому, яка комбінація відомих метеоритів найкраще репрезентує матеріал-попередник Землі. Тому в новій роботі вчені спробували оцінити скільки матеріалу ми просто не врахували в оцінках походження планет, і таким чином отримати дані про кількість вуглецевих метеоритів в основі планет.

Один з досліджуваних марсіанських метеоритів, Elephant Moraine (EETA) 79001. NASA / JSC

Один з досліджуваних марсіанських метеоритів, Elephant Moraine (EETA) 79001. NASA / JSC

То з чого побудовані Марс і Земля?

Для цього планетологи розглянули ізотопні дані про титан, цирконій і молібден у знайдених на Землі марсіанських метеоритах, що допомогло визначити частку зовнішньої Сонячної системи, яку міг акреціювати Марс. Досі таких точних даних щодо цих елементів не було. Згідно з ними, матеріалу зовнішньої Сонячної системи на Землі та Марсі знайшлося не більше чотирьох відсотків. Таку кількість матеріалу вуглецевих метеоритів оцінили за ізотопними аномаліями в елементах групи заліза.

Цікаво, що Земля акреціювала більше матеріалу із самої внутрішньої частини Сонячної системи, ніж Марс. Це узгоджується з утворенням Марса на більшій геліоцентричній відстані, ніж Земля, а також пояснює ізотопну різницю між Землею і Марсом, яка може відображати їхнє утворення в різних радіальних точках диска.

Низька частка матеріалу із зовнішньої Сонячної системи вказує на помітно зменшений його приплив пилу у внутрішній диск. Автори дослідження вважають, що утворення Юпітера могло стати бар'єром, який убезпечив планети земної групи від впливу зовнішньої Сонячної системи. Про цю теорію ми до речі розповідали — за намагніченістю хондритів вчені визначили, що протоюпітер дійсно міг поділити протопланетний диск у минулому Сонця навпіл. Також нещодавно Веста вказала на непричетність поясу астероїдів до формування планет, хоча сам він з’явився у перші 5 мільйонів років життя Сонячної системи.


Фото в анонсі: Mark A. Garlick / markgarlick.com