Et av de grunnleggende problemene i planetarisk vitenskap er å prøve å bestemme hvordan planetlegemer i det indre solsystemet dannet og utviklet seg. En ny datamaskinmodell antyder at enorme gjenstander - noen så store som store Kuiper Belt-objekter som Pluto og Eris - sannsynligvis pummelt Jorden, Månen og Mars i de sene stadiene av planetdannelsen, og brakte tungmetaller til planetoverflatene. Denne modellen - laget av forskjellige forskere fra hele NASA Lunar Science Institute - adresserer overraskende mange forskjellige gåter over hele solsystemet, for eksempel hvordan Jorden kunne beholde metallelsk, elementer som gull og platina som finnes i mantelen, hvordan det indre av Månen kan faktisk være våt, og den underlige fordelingen i størrelsene på asteroider.
"Det meste av beviset på hva som skjedde i de sene stadiene av planetdannelse har blitt slettet over tid," sa Bill Bottke fra Southwest Research Institute, som ledet forskerteamet. "Sporet vi har sporet på disse verdenene er ganske kaldt, og det å være i stand til å grave mer informasjon ut av det vi har og være i stand til å svare på noen problemer med lang tid, er ganske spennende."
Bottke fortalte Space Magazine at historien denne nye modellen forteller "ikke er så komplisert som den ser ut ved første øyekast," sa han. "Det inkluderer mange konsepter sammen, og noen av konseptene har faktisk eksistert en stund."
Bottke og teamet hans har publisert resultatene i journalen Vitenskap.
Forskerne startet med den allment aksepterte teorien om hvordan månen vår ble skapt av en gigantisk påvirkning mellom den tidlige jorden og et annet Mars-størrelse planetarisk organ. Bottke sa: "Dette var den mest traumatiske hendelsen jorden sannsynligvis noensinne har gjennomgått, og det var tiden da antagelig både Jorden og Månen dannet kjernene sine," sa Bottke.
Det tunge jernet falt i sentrum av de to kroppene, og såkalte sterkt siderofile, eller metallelskende, elementer som rhenium, osmium platina, palladium og gull skal ha fulgt jernet og andre metaller til kjernen i kjølvannet av den månedannende hendelsen og etterlater de steinete skorper og mantler i disse kroppene tom for disse elementene.
“Disse elementene elsker å følge metallet,” sa Bottke, “så hvis metallet tappes til kjernen, vil disse elementene ønske å renne ut med dem. Så hvis dette er riktig, hva vi kan forvente at bergarter avledet fra vår mantel nesten ikke skulle ha sterkt siderofile elementer, kanskje 10 til minus 5. nivå eller så. Men overraskende er det ikke det vi ser. De er bare mindre rik på med en faktor mindre enn 200, sammenlignet med hva vi forventer, en faktor på 100 000 eller så. "
Bottke sa at dette problemet har blitt kranglet om siden 1970-tallet, med forskjellige forslag til hvordan du kan svare på problemet.
"Det mest levedyktige svaret er at etter at den månedannende påvirkningen fant sted, var det også andre ting som traff Jorden i de sene stadiene av planetdannelsen, objekter som var mindre, og disse mindre objektene fylte på disse elementene og ga oss overflod vi hadde se i dag. Dette er hva vi omtaler som sen akkresjon, ”sa han.
På månen skjedde det samme. Men det var et problem med dette scenariet. Forholdet mellom disse elementene på jorden sammenlignet med bergarter på Månen er omtrent 1000 til 1.
Bottke tverrsnitt av jorden er omtrent 20 ganger Månens, "sa Bottke." Så for hvert objekt som treffer månen, burde omtrent tjue ha truffet jorden. Og hvis sen akkresjon leverte disse elementene, bør du ha et forhold på 20 til 1. Men det er ikke det vi ser - vi ser et forhold på 1000 til 1. ”
Bottke - en planetarisk dynamiker - diskuterte dette med kollega David Nesvorny, også fra SWRI, samt geofysisk-geokjemiske modellerere, som Richard Walker fra University of Maryland, James Day fra University of Maryland, og Linda Elkins-Tanton fra University of Maryland Massachusetts Institute of Technology.
De kom med en datamodell som så ut til å gi et svar.
"Ved å spille rulett med disse objektene, fant jeg ut at jorda ofte ble rammet av store påvirkere som månen aldri ville se," sa Bottke. "Dette resultatet antyder at de tingene som treffer Jorden og Månen på slutten av planetformasjonsperioden ble dominert av veldig store objekter."
Modellen spådde at den største av de sene støtpåvirkningene på jorden, med 2.400 - 3.200 km (1.500-2.000 mil) i diameter, mens de for månen, omtrent 240 - 320 km.
Bottke kalte det for et "søtt" resultat - men de trengte mer støttebevis. Så de tok en titt på den siste overlevende befolkningen av tingene som bygde planetene, det indre asteroide beltet. "Du finner store asteroider som Ceres, Vesta og Pallas," sa Bottke, så det er de store på 500 til 900 km, men da er dine neste største asteroider bare rundt 250 km. Dette stemte overens med størrelsene som modellen vår kom på, der det ikke er observert noen asteroider med "i mellom" -størrelser i dette området.
Deretter så de på Mars, som har noen veldig store påvirkningsbassenger som sannsynligvis er til overs fra dagene da planeten dannet seg, inkludert Borealis-bassenget, som er så stort at det sannsynligvis står for forskjellene i den nordlige og sørlige halvkule på den røde planeten.
"Vi så og projiserte størrelsen på påvirkningene som ville ha skapt disse påvirkningsbassengene, og vi så fordelingen av størrelser var veldig lik det som var forutsagt for Jorden og Månen, og også det som finnes i det indre asteroidebeltet.
Så alle disse tingene sammen - det teoretiske grunnlaget, det observasjonsbeviset fra elementer på jorden og månen og påvirkninger på Mars sier samlet noe om fordelingen av størrelser på objekter mot slutten av planetdannelsen.
Og hva er implikasjonene?
"Vi kunne komme med forutsigelser for hva som traff Jorden, Månen og Mars den gangen, og de stemmer overens med det vi ser på overflatene," sa Bottke. "På Mars kan vi spille et spill av hva som er de største prosjektilene som burde ha rammet Mars, og det stemmer godt overens med størrelsen på det store bassenget som dannet seg på Mars, og produserte også mange elementer vi ser der."
"For månen ville de største påvirkerne være 250-300 km, som er omtrent på størrelse med sørpolen Aiken-bassenget," fortsatte Bottke. "For Jorden forklarer disse store påvirkningene hvorfor noen av disse innvirkningene klarte å treffe jorden, og ikke alle elementene gikk til jordens kjerne."
Bottke sa at å legge til komplikasjonene, noen av de største virkningene faktisk kan ha pløyd gjennom jorden og faktisk kom ut på den andre siden - i en veldig fragmentert tilstand - og regnet ned igjen på jorden. "Hvis dette er sant, gir dette en måte å spre fragmenter over hele jorden," sa han, "men hvordan søppel blir distribuert rundt planetlegemet er et veldig interessant spørsmål. Den delen trenger mye mer arbeid og er rett og slett i utkanten av det vi kan gjøre numerisk. "
Når det gjelder vann på Månens indre - som en gang ble antatt å være tørt, men nylige prøvemålinger antyder imidlertid at vanninnholdet i månemantelen er mellom 200 og flere tusen deler per milliard - kunne Bottkes modell også adressert dette utgave.
“Hvis det er sant”, skriver teamet i papiret sitt, “er det mulig at det samme prosjektilet som leverte mesteparten av Månens HMS, også kan ha gitt det vann…. Sen akkresjon gir en alternativ forklaring i tilfelle månemantelvann ikke kan vandre fra jorden etter gigantisk påvirkning til en voksende måne gjennom en varm og stort sett fordampet protolunar disk. "
Med hensyn til hvorfor mindre prosjektiler treffer månen sammenlignet med jorden, sa Bottke at det bare er et tallspill. "Vi starter med en befolkning som har et visst antall store ting, mellomstore ting og små ting," sa han. ”Og vi velger tilfeldig prosjektiler fra den befolkningen og for hver eneste store fyr som treffer Månen, treffer 20 Jorden. Og vi spiller det spillet, og hvis antall prosjektiler er begrenset, hvis månen bare blir truffet en eller to ganger fra denne befolkningen, betyr det at Jorden blir truffet 20-30 ganger, er det nok til å gi oss - ved de fleste anledninger - det vi ser. ”
Bottke sa at denne forskningen ga ham en sjanse til å samarbeide med geokjemister, “som har alle slags interessante ting å si som hjelper til å begrense prosessene som førte til dannelse av planeten. Problemet er at de noen ganger har god informasjon, men at de ikke har en dynamisk prosess som kan fungere. Så ved å jobbe sammen tror jeg at vi klarte å komme med noen interessante resultater. ”
"Det mest spennende for meg er at vi skal kunne bruke disse overflodene vi har på Jorden, Månen og Mars for virkelig å fortelle historien om planetdannelse," sa Bottke.
Kilder: Vitenskap, telefonintervju med Bottke
