Химический состав мантий раскрыл непохожие истории рождения Земли и Марса

Исследователи из университета Копенгагена под руководством профессора Андерса Йохансена и Хайянга Вана проанализировали химический состав мантий Земли и Марса и пришли к выводу, что эти две планеты, несмотря на соседство в одной Солнечной системе, формировались принципиально разными путями. Работа опубликована в журнале Nature Astronomy.

Почти пять миллиардов лет назад на месте нынешней Солнечной системы находилось вращающееся облако газа и пыли. Из него постепенно рождались будущие планеты. Как именно шел этот процесс, ученые спорят до сих пор, ведь почти все следы тех событий давно стерты временем. Но кое-что все же осталось — химический состав планет, который хранит память о том, как они росли.

Сегодня среди планетологов нет единого мнения о том, как появляются каменистые миры вроде Земли и Марса. Существуют два основных сценария. Согласно первому, планеты собираются из крупных космических глыб — планетезималей, которые сталкиваются и слипаются друг с другом. Согласно второму, рост идет за счет накопления мелких частиц, которые оседают на уже существующее тело. Этот процесс называют аккрецией гальки (от англ. pebble accretion). На практике, скорее всего, работает сочетание обоих механизмов, но вопрос в том, какой из них вносит больший вклад и как это соотношение различается от планеты к планете.

Чтобы разобраться в этом, команда ученых из Копенгагена обратилась к элементам, которые легко испаряются при высоких температурах, так называемым летучим. К ним относятся натрий, цинк и калий. Их наличие или недостаток в коре и мантии планет служит своего рода химическим отпечатком. Если планета теряла эти элементы в процессе формирования, значит, она переживала периоды сильного нагрева, а это напрямую связано с тем, как именно она «собиралась» из окружающего материала.

Ученые построили компьютерные модели, которые учитывают разные сценарии роста и потери летучих элементов. Сравнивая результаты моделей с реальными данными о составе мантий Земли и Марса, они искали наиболее вероятное объяснение.

Выводы оказались неожиданными. Земля, по всей видимости, сформировалась преимущественно из материала двух крупных протопланет, которые выросли за счет аккреции мелких частиц. Их вклад составляет не менее трех четвертей массы нашей планеты. Оставшуюся часть, до четверти, добавили планетезимали, по составу напоминающие астероид Весту.

Марс же демонстрирует противоположную картину: примерно три четверти его массы пришлось на планетезимали и лишь около четверти на аккрецию. Точные пропорции для Марса исследователи оценивают как 27 процентов материала, набранного путем аккреции мелких частиц, и 73 процента вещества, похожего на то, что было у Весты.

Это означает, что две соседние планеты, возникшие в одном и том же протопланетном диске, прошли разные пути. Земля росла в основном за счет мелких частиц, которые оседали на крупные зародыши, а Марс за счет столкновений с уже готовыми каменными глыбами.

Исследователи отмечают, что такой результат поначалу удивляет. Логично было бы ожидать, что планеты, образовавшиеся рядом, будут иметь схожую историю. Но химические данные говорят об обратном. При этом ученые подчеркивают, что их модели содержат неопределенности. Например, точный состав исходного строительного материала Солнечной системы неизвестен, поэтому приходится делать допущения. Однако даже с поправками на эти допущения главный вывод остается: Земля и Марс формировались по-разному.

Авторы также указывают, что их метод дает более прямую и однозначную картину, чем широко используемый изотопный анализ, который часто допускает разные толкования. Химические элементы, а не их изотопные вариации, становятся здесь главным свидетелем прошлого.

Понимание того, как планеты теряют летучие элементы в процессе роста, важно не только для истории Земли и Марса. В ближайшие десятилетия несколько космических миссий займутся поиском и изучением планет, похожих на Землю, у других звезд. Оценить, насколько они пригодны для жизни, невозможно без знания их химического состава. Если научится по элементным подписям определять, сколько воды и других необходимых для жизни веществ планета сохранила после своего формирования, это станет серьезным шагом вперед в поиске обитаемых миров.

Итак, анализ химического состава мантий Земли и Марса показал, что эти планеты сформировались двумя разными способами: Земля выросла в основном за счет аккреции мелких частиц на крупные протопланеты, а Марс — преимущественно за счет столкновений с планетезималями. Летучие элементы выступили в роли химического отпечатка, который позволил реконструировать ранние этапы истории планет спустя 4,5 миллиарда лет. Этот подход может быть применен и к экзопланетам, помогая оценивать их потенциальную обитаемость.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях