Элементный состав Земли определило столкновение двух астероидов

Элементный состав современной Земли сформировался, скорее всего, в результате аккреции из окружающего космического пространства газа, который образовался при столкновении двух астероидов. Сразу две статьи, подтверждающие такую гипотезу, вышли в новом номере Nature. Одна из научных групп сделала такой вывод, исследовав изотопный состава магния, а другая предложила подобный механизм на основе содержания на Земле летучих элементов.

Современный элементный состав Земли и других небесных тел с дифференцированной структурой довольно сильно отличается от состава, например, хондритовых метеоритов, которые соответствуют составу протопланетного диска, из которого были образованы. Принятым сейчас объяснением этого отличия является аккреция Протоземлей газа или твердых тел из окружающего пространства. Однако почему у захваченной материи был именно такой состав, все еще остается непонятным. Предложенные ранее модели захвата метеоритов не могли объяснить изотопный состав магния или повышенное по сравнению с другими элементами содержание в земных силикатах индия.

В своих новых работах две группы ученых предложили использовать для объяснения элементного состава Земли механизм газовой аккреции. По предположению ученых, захваченный впоследствии газ образовался при столкновении двух планетезималей. В результате такого столкновения твердые породы поверхности небесных тел сначала плавились, а затем и испарялись. Из-за того, что скорость образовавшегося газа была достаточной, чтобы покинуть гравитационное поле планетезималей, он попадал в космическое пространство, после чего захватывался молодой Протоземлей.

Для подтверждения своей гипотезы международный коллектив ученых из Великобритании, США и Германии изучил отличие соотношения изотопов магния-25 и магния-24 на Земле и в хондритовых метеоритах. Несмотря на то, что отличие это довольно небольшое и составляют около 0,04 промилле, определить его можно с очень хорошей точностью, поэтому авторы исключают возможность ошибки измерения даже такой небольшой величины.

Ученые отмечают, что при испарении породы с поверхности астероида или планетезимали изотопный состав магния меняется и газ насыщается более тяжелым изотопом магния-25. По предположению исследователей, процесс плавления и последующего испарения породы мог быть запущен столкновением с другим подобным телом. Предложенный механизм согласуется не только с изотопным составом магния, но с геохимическими данными для изотопного состава кремния, алюминия и железа.

При этом ученые отмечают, что испарение расплавленного вещества с поверхности характерно только для космических тел с дифференцированной структурой размером в 10 процентов от земного и меньше. Для тел большего размера скорости испарившегося газа будет недостаточно для того, чтобы преодолеть гравитацию.

Похожий механизм формирования состава аккреционного газа предложила и группа британских ученых. В своей работе исследователи попытались объяснить пониженное содержание на Земле цинка, серебра, висмута, свинца и некоторых других элементов средней летучести. Согласно существующей сейчас гипотезе, на Протоземле никаких из этих элементов практически не было, а появились они тоже в результате газовой аккреции.

Для того чтобы объяснить необходимый состав аккреционного газа, ученые провели модельный эксперимент, в котором контролируемо плавили базальтовую породу состава, близкого к составу планетезималей, при температуре от 1300 до 1700 градусов по шкале Цельсия при полном отсутствии кислорода. Оказалось, что в результате такого процесса действительно образуется пар, по своему элементному составу гораздо ближе к земному, чем небулярный, что объясняет, например, аномалию содержания индия.

Несмотря на то, что ученые в своих исследованиях пришли к похожим выводам, один из механизмов предполагает, что столкновение необходимо только для того, чтобы запустить механизм испарения в условиях, близких к равновесным, а другой является чисто кинетическим и предполагает выброс вещества необходимого состава непосредственно в процессе столкновения. На данный момент неясно, нет ли между ними противоречия.

По предположению одной из групп исследователей такое столкновение астероидов могло быть вызвано изменением гравитационного поля в результате гигантского столкновения, которое привело к образованию Луны. Теория гигантского столкновения не является единственной теорией происхождения Луны, и чтобы ее доказать, ученые используют разнообразные методы, в том числе, например, исследуя процессы при ядерном взрыве.

Александр Дубов