Ziemia i Wenus powstały jako skomplikowane planety

Według nowych badań przeprowadzonych przez naukowców z University of Arizona, proces formowania się planet – proces, w którym eleganckie, okrągłe, odrębne planety powstają z wirującej chmury wyboistych asteroid i mniejszych planet – był prawdopodobnie bardziej chaotyczny i bardziej złożony niż większość naukowców mogłaby przyznać. Laboratorium planetarne i księżycowe.

Odkrycia podważają tradycyjny pogląd, zgodnie z którym kolizje między mniejszymi elementami konstrukcyjnymi powodują ich sklejanie się, a z czasem powtarzające się kolizje prowadzą do nagromadzenia nowego materiału na rozwijającej się planecie dziecka.

Zamiast tego autorzy proponują i przedstawiają dowody na nowy scenariusz „uderz, biegnij i z powrotem”, w którym ciała przedplanetarne spędziły dużą część swojej podróży przez wewnętrzny układ słoneczny, zderzając się i odbijając od siebie, zanim napotkamy ponownie w późniejszym czasie. Zwolniwszy z powodu pierwszego zderzenia, jest bardziej prawdopodobne, że następnym razem będą trzymać się razem. Wyobraź sobie grę w bilard, z piłkami, które odpoczywają, zamiast rzucać śnieżkami, a wpadniesz na pomysł.

Badania zostały opublikowane w dwóch raportach, które ukazały się w wydaniu The Planetary Science Journal z 23 września, z których jeden koncentruje się na Wenus i Ziemi, a drugi na Księżycu Ziemi. Według zespołu autorów, kierowanego przez Wydział Nauk Planetarnych i profesora LPL Erica Asfougha, centralnym punktem obu publikacji jest w dużej mierze niedoceniany fakt, że gigantyczne uderzenia nie są tak skutecznymi fuzjami, jak sądzili naukowcy.

Odkryliśmy, że większość gigantycznych kolizji, nawet stosunkowo „wolnych”, to uderzenia sporadyczne. Oznacza to, że aby dwie planety się połączyły, musisz je najpierw spowolnić w przypadku kolizji typu „uderz i uciekaj”. „Myślenie o gigantycznych uderzeniach, na przykład o powstaniu księżyca, jako o wyjątkowym wydarzeniu, prawdopodobnie byłoby błędne. Najprawdopodobniej wymagało to dwóch kolizji z rzędu”.

Jedną z implikacji jest to, że Wenus i Ziemia miały bardzo różne doświadczenia w rozwoju jako planety, mimo że są bezpośrednimi sąsiadami w wewnętrznym Układzie Słonecznym. W pierwszym artykule, prowadzonym przez Alexandra Emsenhubera, który wykonał tę pracę podczas stażu podoktorskiego w laboratorium Asvugh, a obecnie znajduje się na Uniwersytecie Ludwiga Maximiliana w Monachium, młoda Ziemia mogła spowolnić zakłócające się ciała planetarne, co ostatecznie zwiększyło prawdopodobieństwo ich zderzenia i przyklejenia się. przez Wenus.

„Uważamy, że podczas formowania się Układu Słonecznego wczesna Ziemia działała jako prekursor Wenus” – powiedział Emsenhuber.

Układ Słoneczny jest tym, co naukowcy nazywają studnią grawitacyjną, pojęcie grawitacji popularne na targach naukowych. Odwiedzający wrzucają monetę do studni grawitacyjnej w kształcie lejka, a następnie obserwują, jak ich moneta okrąża kilka orbit, zanim wpadnie do centralnego otworu. Im bliżej Słońca jest planeta, tym większa siła grawitacji, na którą są wystawione. To dlatego wewnętrzne planety Układu Słonecznego, na których skupiono się w tych badaniach – Merkury, Wenus, Ziemia i Mars – krążą wokół Słońca szybciej niż np. Jowisz, Saturn i Neptun. W rezultacie im bliżej Słońca znajduje się obiekt, tym większe prawdopodobieństwo, że tam pozostanie.

Asfug wyjaśnił, że kiedy przeszkadzająca planeta zderzyła się z Ziemią, było mniej prawdopodobne, że przylgnie do Ziemi, a zamiast tego będzie bardziej prawdopodobne, że znajdzie się na Wenus.

„Ziemia działa jak tarcza, zapewniając pierwszy przystanek przed uderzeniem tych planet” – powiedział. „Najprawdopodobniej planeta odbijając się od Ziemi uderzy w Wenus i połączy się z nią”.

Emsenhuber używa analogii piłki odbijającej się po schodach, aby zilustrować ideę tego, co napędza efekt awangardy: obiekt z zewnętrznego Układu Słonecznego jest jak piłka odbijająca się po schodach, przy czym każde odbicie reprezentuje kolizję z drugim. ciało.

„Cała droga w górę”, powiedział, „piłka traci energię i przekonasz się, że zawsze będzie się odbijać w dół, nigdy nie wznosić”. Z tego powodu ciało nie może już opuścić wewnętrznego układu słonecznego. Zwykle po prostu schodzi na dół, w kierunku Wenus, a niszczyciel, który uderza w Wenus, jest zbyt szczęśliwy, by pozostać w wewnętrznym Układzie Słonecznym, więc w pewnym momencie ponownie uderzy w Wenus.

Ziemia nie ma takiej awangardy, która mogłaby spowolnić interweniujące planety. Autorzy twierdzą, że powoduje to różnicę między dwiema planetami o podobnej wielkości, której konwencjonalne teorie nie są w stanie wyjaśnić.

„Przeważającą ideą było to, że tak naprawdę nie ma znaczenia, czy planety zderzają się i nie łączą się od razu, ponieważ w pewnym momencie zderzą się ze sobą ponownie, a następnie się połączą” – powiedział Emsenhuber. Ale nie to znajdujemy. Odkrywamy, że często stają się częścią Wenus, zamiast wracać na Ziemię. Łatwiej jest przenieść się z Ziemi na Wenus niż odwrotnie.

Aby śledzić wszystkie te orbity, kolizje planet i ostatecznie ich połączenia, zespół wykorzystał uczenie maszynowe do uzyskania modeli predykcyjnych z trójwymiarowych symulacji gigantycznych uderzeń. Zespół wykorzystał następnie te dane do szybkiego obliczenia ewolucji orbity, w tym zderzeń uderzeniowych i fuzji, do symulacji formowania się Ziemi na przestrzeni 100 milionów lat. W drugim artykule autorzy proponują i ilustrują scenariusz „uderz i uciekaj” dla formowania się księżyca, rozpoznając podstawowe problemy w standardowym modelu gigantycznego uderzenia.

„Standardowy Model Księżyca wymaga bardzo powolnej, stosunkowo wolnej kolizji” – powiedział Asfug – „i tworzy księżyc złożony głównie z działającej planety, a nie z proto-Ziemi, co jest dużym problemem, ponieważ Księżyc doświadcza chemii izotopowej prawie identyczny z Ziemią.

W nowym scenariuszu zespołu protoplaneta mniej więcej wielkości Marsa uderza w Ziemię, tak jak w Modelu Standardowym, ale nieco szybciej, więc trwa. Wraca około miliona lat później, wywołując olbrzymie uderzenie podobne do Modelu Standardowego.

„Podwójny efekt miesza rzeczy z czymś więcej niż tylko jednym zdarzeniem, co może wyjaśnić podobieństwo izotopowe między Ziemią a Księżycem, a także to, jak powolne, łączące się drugie zderzenie miałoby miejsce w pierwszej kolejności” – powiedział Asfogg.

Naukowcy są przekonani, że wynikająca z tego niespójność w sposobie grupowania planet wskazuje drogę do przyszłych badań różnorodności planet naziemnych. Na przykład nie rozumiemy, w jaki sposób Ziemia miała pole magnetyczne znacznie silniejsze niż Wenus ani dlaczego Wenus nie ma księżyca.

Według Asphoga ich badania wskazują na systematyczne różnice w dynamice i składzie.

„Naszym zdaniem Ziemia zgromadziłaby większość swojego materiału w zderzeniach czołowych lub wolniejszych niż te, których doświadczyła Wenus” – powiedział. Zderzenia na Ziemi, które były bardziej nachylone i przy większej prędkości, kończyłyby się preferencyjnie na Wenus.

Stworzyłoby to odchylenie, że na przykład protoplanety z zewnętrznego Układu Słonecznego, z większą prędkością, mogą akreować preferencyjnie do Wenus, a nie Ziemi. Krótko mówiąc, Wenus może składać się z substancji, która byłaby trudna do zdobycia dla Ziemi.

„Możesz pomyśleć, że Ziemia jest zbudowana z większej ilości materiału niż system zewnętrzny, ponieważ jest bliżej zewnętrznego Układu Słonecznego niż Wenus. Ale w rzeczywistości, gdy Ziemia odgrywa tak wiodącą rolę, w rzeczywistości jest bardziej prawdopodobne, że Wenus gromadzi materiał zewnętrznego Układu Słonecznego — powiedział.

Współautorami obu artykułów są Saverio Cambioni i Stephen R. Schwartz z Travis SJ Gabriel Lunar and Planetary Laboratory na Arizona State University w Tempe w Arizonie.

Bibliografia:

1. Alexander Emsenhuber, Eric Asfough, Saverio Campione, Travis SJ Gabriel, Stephen R. Schwartza. Łańcuchy zderzeń między planetami ziemskimi. II. Asymetria między Ziemią a Wenus. Journal of Planetary Science, 2021; 2 (5): 199 DOI: 10.3847 / psg / ac19b1
2. Eric Asfough, Alexander Emsenhuber, Saverio Campione, Travis SJ Gabriel, Stephen R. Schwartza. Łańcuchy zderzeń między planetami ziemskimi. Trzeci. Formacja księżyca. Journal of Planetary Science, 2021; 2 (5): 200 DOI: 10.3847 / psg / ac19b2