Создана модель строительства планет Солнечной системы из грязевых комьев

Исследователи из Университета Кертин и Планетологического института США разработали математическую модель, в соответствии с которой зародыши планет в ранней Солнечной системе скорее напоминали огромные «комья грязи» (mud balls), а не твердые скалистые астероиды.Научная статья опубликована в журнале Science Advances, кратко о ней рассказывается в пресс-релизе, выпущенном на сайте Планетологического института.

Астероиды в ранней Солнечной системе являлись смесью из мелких частиц протосолнечной туманности, льда и включений (хондр). Об этом говорят данные анализов метеоритов класса углистых хондритов. Поэлементный состав таких метеоритов классов CI и CM очень близок к составу фотосферы Солнца (например, хондриты класса CI содержат в себе не менее 40 химических элементов в соотношении, соответствующем их соотношению в фотосфере, но с десятикратным уменьшением масштаба). При этом хондриты содержат большое количество веществ, образованных в присутствии воды, и органических веществ, что позволяет называть их «строительными блоками» для планет и возможными поставщиками летучих веществ. 

Гидротермальные процессы, происходившие внутри астероидов в ранней Солнечной системе, изменили их минеральный состав, не поменяв при этом химический. Например, CI-хондриты состоят из более чем 95 процентов вторичных минералов, образованных в присутствии воды. Предыдущие попытки моделирования химических процессов в астероидах предсказывали крупномасштабный (десятки километров) водный транспорт в их внутренних слоях, что также является эффективным способом замедления изменения температуры внутри астероида. Это особенно важно в случае хондритов классов CI и CM, поскольку почти все эти породы, по-видимому, испытали химические изменения в узком температурном диапазоне и при относительно низких температурах (менее 150 градусов Цельсия). Проблема заключается в том, что модели хорошо работают в случае небольших объектов, размером менее десятка километров в диаметре. В случае крупных объектов низкая проницаемость и отсутствие сети трещин или каналов, присущие хондритам, не позволяют эффективно организовать передачу тепла, возникающего при распаде короткоживущих радионуклидов, и водяных потоков, образующихся при таянии частиц льда. Даже введение большого числа пор в модель не спасает положение.

Авторы новой работы предлагают следующую альтернативу для решения этой проблемы. Все предыдущие исследования взаимодействия воды и горных пород в астероидах предполагали, что породы, слагающие их и взаимодействующие с водой, являются литифицированными, то есть твердыми. Однако нет существенных доказательств, почему это должно быть именно так, а не иначе. Если предположить, что при нагреве внутренняя часть астероида представляла собой вязкую грязеподобную массу, то конвективные потоки в такой системе смогут поддерживать нужную температуру и уменьшат ее изменение по всему объекту. Кроме того, решается проблема массового образования гидратированных минералов из-за хорошего перемешивания воды и горных пород.

В работе ученые использовали код MAGHNUM (Mars and Asteroids Global Hydrology Numerical Model), чтобы промоделировать движение хондр, тепловых и грязевых потоков в углеродистых хондритовых астероидах. Моделирование охватывает радиусы астероидов от 50 до 500 километров. Изменялись такие параметры, как вязкость массы, соотношение количества грязевой массы/хондр и содержания воды/горных пород. Размер хондр в модели менялся от 0,1 до 50 миллиметров.

Выяснилось, что концепция «грязевого кома» имеет право на существование, а результаты согласуются с анализами хондритов классов ХI и СМ и спектрами примитивных астероидов. В таком объекте химический состав будет однородным, без разделения растворимых и нерастворимых веществ. Температура внутри астероида будет умеренной и без крутого градиента. Кроме того, грязевые потоки могут обеспечить эффективный механизм сортировки хондр по размерам. Постепенно, по мере уменьшения количества поступающего тепла, конвективные потоки будут замедляться. Расчеты показывают, что астероид, похожий по размерам на Цереру, будет иметь внутреннюю температуру около 125 ± 20 градусов Цельсия и остынет до 50 градусов Цельсия за 150 миллионов лет.

Ранее мы рассказывали о том, как на комете Чурюмова-Герасименко нашли прекурсоры сахаров и выяснили, как она образовалась, почему рождение Марса перенесли в Главный Пояс астероидов и каким образом бесхвостая комета может рассказать нам о формировании Солнечной системы.

Александр Войтюк