Построение истории формирования Земли во многом опирается на данные, полученные из метеоритов. Поскольку подавляющее большинство метеоритов происходит из астероидов, это означает, что понимание астероидов также может привести к пониманию формирования Земли. Вместе астероиды и метеориты составляют совокупность обломков, оставшихся после образования каменистых планет.
Астероиды и метеориты обитают во внутренней части Солнечной системы. Астрономы стремятся понять, какая часть Земли состоит из материала внутренней Солнечной системы, а какая — из материала внешней Солнечной системы, расположенной за Юпитером. Поскольку условия в каждом регионе сильно различаются, различается и материал, образовавшийся там. Определение относительного вклада каждой части Солнечной системы поможет объяснить не только то, как образовалась Земля, но и как формируются планеты в целом. Содержание углерода в метеоритах и астероидах играет центральную роль в этом вопросе.
Ученые считают, что значительная часть Земли, от 6% до 40%, могла попасть туда из внешних областей Солнечной системы. Это может помочь объяснить, как Земля получила воду. Объекты, находящиеся за пределами Юпитера, обычно содержат больше водяного льда. В процессе аккреции Земли часть аккрецированного материала поступала из-за пределов Юпитера, или линии замерзания Солнечной системы, и, соединившись с Землей, принесла с собой воду со льдом. Это одна из гипотез, объясняющих наличие воды на Земле.
Новое исследование, опубликованное в журнале Nature Astronomy, изучило химический состав известных астероидов и метеоритов, чтобы понять, какая часть основного состава Земли происходит из внешней и внутренней Солнечной системы. В более широком смысле, оно проверяет идею о поступлении воды из-за пределов Юпитера. Статья называется «Однородная аккреция Земли во внутренней Солнечной системе». Ведущий автор — Паоло Сосси из Института геохимии и петрологии, кафедры наук о Земле и планетах, Швейцарского федерального технологического института в Цюрихе.
«Метеориты классифицируются как не содержащие углерод или содержащие углерод, что означает, что они представляют собой тела, которые, вероятно, образовались во внутренней или внешней части Солнечной системы соответственно», — пишут исследователи в своей статье. «Несмотря на свое расположение во внутренней части Солнечной системы, считается, что Земля содержит либо незначительное (~6%), либо значительное количество (~40%) материала из внешней части Солнечной системы».
Многое в понимании происхождения древних горных пород в нашей Солнечной системе, будь то метеориты, астероиды или планеты, подобные Земле, сводится к изотопам. Изотопы подобны различным формам одного и того же химического элемента. Они имеют различное количество нейтронов. Например, кислород имеет три стабильных изотопа: 16O, 17O и 18O.
Изотопы встречаются в разных соотношениях, и, измеряя изотопные соотношения на нескольких небесных телах, ученые могут установить связи между телами, имеющими общее происхождение. Ученые обнаружили изотопные системы, которые связывают различные семейства объектов внутренней Солнечной системы друг с другом. Но есть проблема.
Исследователи изучают изотопные системы уже много лет. Основная проблема заключается в том, что иногда они приходят к неясным выводам, поскольку не изучали более крупные изотопные системы между большим количеством объектов и семейств объектов. «Происхождение Земли остается неоднозначным», — объясняют авторы, — потому что диапазон изотопных систем, изученных в предыдущих исследованиях, был невелик, часто ограничиваясь одной или двумя.
Однако в этой работе исследователи использовали имеющиеся данные для изучения десяти изотопных аномалий. «Здесь мы изучаем вариации десяти нуклеосинтетических изотопных аномалий среди планет и родительских тел метеоритов», — пишут авторы.
Результаты оказались неожиданными даже для самих исследователей. Внешняя часть Солнечной системы, возможно, внесла лишь 2% в массу Земли, а возможно, и 0%. Удивительно также, что состав Земли не совпадает с составом ни одного хондрита, которые являются наиболее распространенным типом астероидов и метеоритов. «Таким образом, Земля образовалась исключительно из материала внутренней части Солнечной системы, состав которого не менялся в процессе аккреции и в среднем отличался от состава любого хондрита», — объясняют исследователи в своей статье.
Идея о такой однородности Земли вызывает большой интерес и противоречит прежним представлениям.
«Наши расчеты ясно показывают: строительный материал Земли происходит из единого материального резервуара», — заявил Сосси.
Соавтор исследования Дэн Боуэр, также из этого института в ETH Zurich, добавил: «Мы были по-настоящему поражены, обнаружив, что Земля полностью состоит из материала из внутренней части Солнечной системы, отличного от любой комбинации существующих метеоритов».
На самом деле они изучают то, что известно как BSE, или основную силикатную часть Земли, также известную как первоначальная мантия Земли. Анализ хондритовых метеоритов — это устоявшийся способ изучения BSE, поскольку сама мантия сильно изменилась с момента образования Земли.
«Наш анализ показывает, что все элементы, независимо от их геохимического характера или нуклеосинтетического происхождения, имеют одинаковое изотопное происхождение в BSE: это конечный член группы NC (неуглеродистых)», — объясняют исследователи. «Таким образом, состав BSE определяется как однородный по отношению к изотопным аномалиям».
Результаты получены в результате анализа всех этих данных с помощью мощного статистического метода, обычно не используемого в геохимии. «Наши исследования — это, по сути, эксперименты в области анализа данных, — сказал Сосси. — Мы провели статистические расчеты, которые редко используются в геохимии, хотя они и являются мощным инструментом».
Это исследование также выиграло от недавнего развития изотопной геохимии. Определение истории объектов Солнечной системы с помощью изотопов ранее ограничивалось изотопами кислорода. Но около 15 лет назад стало ясно, что можно использовать и изотопы других элементов, таких как хром и титан. Это развитие привело к более глубокому пониманию формирования Солнечной системы. Ученые выяснили, что метеориты делятся на две категории: неуглеродистые, образовавшиеся во внутренней части Солнечной системы, и углеродистые, образовавшиеся во внешней части Солнечной системы и содержащие больше воды.
Эта работа показывает, что Земля может полностью состоять из неуглеродистых пород внутренней части Солнечной системы. Лишь очень малая часть может быть углеродистой и происходить из внешних слоев Солнечной системы. Почему такое четкое разделение?
Возможно, в этом виноват Юпитер. Он очень быстро набрал массу и, по сути, разорвал протопланетный диск вокруг молодого Солнца, резервуар вещества, из которого формировались планеты. Представьте это как барьер, препятствовавший миграции вещества из внешней Солнечной системы во внутреннюю. Учёные знают об этом «юпитерском барьере», но до этой работы было неясно, насколько он эффективен.
«Наши расчеты очень надежны и основаны исключительно на самих данных, а не на физических предположениях, поскольку они еще не до конца понятны», — сказал Боуэр.
Полученные результаты распространяются также на Марс и астероид Веста, один из крупнейших в главном поясе астероидов. Они могут также распространяться на Меркурий и Венеру, хотя у нас нет физических образцов с этих планет, которые могли бы это подтвердить. «На основе нашего анализа мы можем теоретически предсказать состав этих двух планет», — сказал Сосси. Эта работа показывает, что Венера и Меркурий должны иметь еще более экстремальный изотопный состав, чем Земля.
Сосси говорит, что эти результаты проливают новый свет на формирование Земли, и это довольно очевидно. Результаты также позволяют судить о наличии воды на Земле.
Ученые до сих пор спорят об источнике воды на нашей планете. Одна из рабочих гипотез гласит, что большая часть или значительная ее доля была доставлена кометами или другими ледяными объектами из внешней части Солнечной системы, где водяного льда было в изобилии. Внутренняя часть Солнечной системы была слишком теплой для того, чтобы водяной лед мог сохраниться.
Другая общая гипотеза гласит, что вода была изначально заложена в Земле в процессе её формирования. Эта гипотеза о внутреннем образовании воды утверждает, что химические реакции между водородом и кислородом в ранней мантии Земли привели к её образованию. Полученные результаты подтверждают эту идею.
Эти результаты также порождают новые вопросы, и сами исследователи надеются на них ответить. В первую очередь их волнует вопрос о воде. Если она не образовалась внутри Земли и если в тёплой внутренней части Солнечной системы её не было в достаточном количестве, чтобы объяснить наличие воды на Земле, то откуда она взялась? Исследователи также хотят выяснить, применимы ли эти результаты к процессу образования экзопланет в других солнечных системах.
Эти важные результаты не положат конец продолжающимся дебатам о том, как формируются планеты и откуда на Земле взялась вода. Одного исследования для этого недостаточно. Но наука развивается постепенно, и это может стать важным шагом.
«Однако до тех пор нам с Дэном придётся вести множество жарких дискуссий о материальном составе Земли и соседних планет, потому что научная дискуссия о строительных блоках Земли далека от завершения, несмотря на новые открытия», — говорит Сосси.
По информации https://planet-today.ru/novosti/nauka/item/191789-vneshnyaya-chast-solnechnoj-sistemy-ne-vnesla-nikakogo-vklada-v-formirovanie-zemli
Обозрение "Terra & Comp".
