Et af de grundlæggende problemer inden for planetarisk videnskab er at forsøge at bestemme, hvordan planetlegemer i det indre solsystem dannet og udviklet sig. En ny computermodel antyder, at enorme genstande - nogle så store som store Kuiper Belt-objekter som Pluto og Eris - sandsynligvis pummelede Jorden, Månen og Mars i de sene stadier af planetdannelse og bragte tungmetaller til planetoverfladerne. Denne model - skabt af forskellige forskere fra hele NASA Lunar Science Institute - adresserer overraskende mange forskellige gåder i hele solsystemet, såsom hvordan Jorden kunne fastholde metalelskende, elementer som guld og platina, der findes i dens mantel, hvordan det indre af Månen kunne faktisk være våd, og den mærkelige fordeling i størrelserne på asteroider.
”Det meste af beviset på, hvad der skete i de sene stadier af planetdannelse, er blevet slettet over tid,” sagde Bill Bottke fra Southwest Research Institute, der ledede forskerteamet. "Sporet, vi har sporet på disse verdener, er temmelig koldt, og at være i stand til at grave mere information ud af det, vi har, og være i stand til at besvare nogle langvarige problemer er ret spændende."
Bottke fortalte Space Magazine, at historien om denne nye model fortæller ”ikke er så kompliceret som det ser ud ved første øjekast,” sagde han. ”Det inkluderer mange koncepter sammen, og nogle af koncepterne har faktisk eksisteret i et stykke tid.”
Bottke og hans team har offentliggjort deres resultater i tidsskriftet Videnskab.
Forskerne startede med den bredt accepterede teori om, hvordan vores måne blev skabt af en kæmpe påvirkning mellem den tidlige jord og et andet Mars-størrelse planetarisk legeme. ”Dette var den mest traumatiske begivenhed, Jorden sandsynligvis nogensinde har gennemgået, og det var den tid, hvor formodentlig Jorden og Månen begge dannede deres kerner,” sagde Bottke.
Det tunge jern faldt til midten af de to legemer, og såkaldte stærkt siderofile eller metalelskende elementer som rhenium, osmium platina, palladium og guld skulle have fulgt jernet og andre metaller til kernen i efterfølgende af den månedannende begivenhed, hvorved de stenede skorpe og kappe af disse kropper er tomme for disse elementer.
”Disse elementer elsker at følge metallet,” sagde Bottke, ”så hvis metallet tømmes til kernen, vil disse elementer ønske at dræne med dem. Så hvis dette er rigtigt, hvad vi ville forvente, at klipper afledt af vores mantel næsten ikke skulle have meget stærkt siderofile elementer, måske 10 til minus 5. niveau eller deromkring. Men overraskende er det ikke, hvad vi ser. De er kun mindre rigelige med en faktor på under 200 sammenlignet med hvad vi ville forvente, en faktor på 100.000 eller deromkring. ”
Bottke sagde, at dette problem er blevet krænket siden 1970'erne med forskellige forslag til, hvordan man kan svare på problemet.
”Det mest levedygtige svar er, at efter den månedannende påvirkning fandt sted, var der også andre ting, der ramte Jorden i de sene stadier af planetdannelsen, objekter, der var mindre, og disse mindre objekter genopfyldte disse elementer og gav os den overflod, vi se i dag. Dette er, hvad vi omtaler som sen tiltrædelse, ”sagde han.
På Månen foregik den samme ting. Men der var et problem med dette scenarie. Forholdet mellem disse elementer på Jorden sammenlignet med klipper på Månen er ca. 1000 til 1.
”Jordens gravitationssnit er cirka 20 gange Månens,” sagde Bottke, ”Så for hvert objekt, der ramte Månen, skulle omkring tyve have ramt Jorden. Og hvis sen tiltrædelse leverede disse elementer, skal du have et forhold på 20 til 1. Men det er ikke det, vi ser - vi ser et forhold på 1000 til 1. ”
Bottke - en planetarisk dynamacist - diskuterede dette med kollega David Nesvorny, også fra SWRI, samt geofysisk-geokemiske modeller, såsom Richard Walker fra University of Maryland, James Day fra University of Maryland og Linda Elkins-Tanton fra University of Maryland Massachusetts Tekniske Institut.
De kom med en computermodel, der syntes at give et svar.
”Ved at spille roulette med disse objekter fandt jeg, at Jorden meget ofte blev ramt af enorme påvirkere, som Månen aldrig ville se,” sagde Bottke. ”Dette resultat antyder, at de ting, der rammer Jorden og Månen i slutningen af planetdannelsesperioden, var domineret af meget store genstande.”
Modellen forudsagde, at den største af de sene påvirkere på Jorden, med 2.400 - 3.200 km (1.500-2.000 miles) i diameter, mens dem for Månen, ca. 240 - 320 km.
Bottke kaldte det for et "søde" resultat - men de havde brug for mere underbyggende bevis. Så de kiggede på den sidste overlevende befolkning af de ting, der byggede planeterne, det indre asteroidbælte. ”Du finder store asteroider som Ceres, Vesta og Pallas” sagde Bottke, så der er de store på 500 til 900 km, men så er dine næste største asteroider kun omkring 250 km. Dette stemte overens med de størrelser, som vores model kom med, ”hvor ingen asteroider med" mellem "-størrelser er observeret i denne region.
Derefter kiggede de på Mars, som har nogle meget store påvirkningsbassiner, der sandsynligvis er tilbage fra de dage, da planeten dannede sig, herunder Borealis-bassinet, som er så stort, at det sandsynligvis tegner sig for forskellene i den nordlige og sydlige halvkugle på den røde planet.
”Vi kiggede og projicerede størrelsen på de påvirkere, der ville have skabt disse påvirkningsbassiner, og vi så fordelingen af størrelser var meget lig det, der var forudsagt for Jorden og Månen, og også hvad der findes i det indre asteroidebælte.
Så alle disse ting sammen - det teoretiske grundlag, det observationsbevis fra elementer på Jorden og Månen og påvirkninger på Mars siger samlet noget om fordelingen af størrelser af objekter mod slutningen af planetdannelsen.
Og hvad er konsekvenserne?
"Vi kunne forudsige, hvad der ramte Jorden, Månen og Mars på det tidspunkt, og de stemmer overens med det, vi ser på overfladerne," sagde Bottke. "På Mars kan vi spille et spil om, hvad der er de største projektiler, der burde have ramt Mars, og det stemmer godt overens med størrelsen på det store bassin, der dannedes på Mars, og producerede også de overflod af elementer, vi ser der."
”For Månen ville de største påvirkere være 250-300 km, hvilket svarer til størrelsen på den sydpolske Aiken-bassin,” fortsatte Bottke. "For Jorden forklarer disse store påvirkere, hvorfor nogle af disse påvirkninger formåede at ramme Jorden, og ikke alle elementerne gik til Jordens kerne."
Bottke sagde, at tilføjelse til komplikationerne, nogle af de største påvirkninger faktisk kan have pløjet gennem Jorden og faktisk kom ud på den anden side - i en meget fragmenteret tilstand - og regnede ned igen på Jorden. ”Hvis dette er sandt, giver dette en måde at sprede fragmenter hele vejen rundt om på Jorden,” sagde han, “men hvordan resterne bliver omfordelt rundt om planetkroppen er et virkelig interessant spørgsmål. Den del har brug for meget mere arbejde og er simpelthen på kanten lige nu, hvad vi kan gøre numerisk. ”
Når det kommer til vand på Månens indre - som en gang blev antaget at være tørt, men nylige prøvemålinger antyder dog, at vandindholdet i månemantelen er mellem 200 og flere tusinde dele pr. Milliard - kunne Bottkes model også adressere dette problem.
”Hvis det er sandt,” skriver teamet i deres papir, ”er det muligt, at det samme projektil, der leverede de fleste af Månens HSE'er, også kan have forsynet det med vand .... Sen tiltrædelse giver en alternativ forklaring i tilfælde af, at månemantelvand ikke kan migrere fra jorden efter den gigantiske påvirkning til en voksende måne gennem en varm og stort set fordampet protolunar disk. ”
Med hensyn til hvorfor mindre projektiler rammer Månen sammenlignet med Jorden, sagde Bottke, at det kun var et talespil. ”Vi starter med en befolkning, der har et vist antal store ting, mellemstore ting og små ting,” sagde han. ”Og vi vælger tilfældigt projektiler fra denne befolkning og for hver eneste store fyr, der rammer Månen, ramte 20 Jorden. Og vi spiller det spil, og hvis antallet af projektiler er begrænset, hvis Månen kun bliver ramt en eller to gange fra denne befolkning, betyder det, at Jorden bliver ramt 20-30 gange, er det nok til at give os - ved de fleste lejligheder - hvad vi ser. ”
Bottke sagde, at denne undersøgelse gav ham en chance for at arbejde med geokemister, ”der har alle mulige interessante ting at sige, som hjælper med at begrænse de processer, der medførte planetdannelse. Problemet er, at de nogle gange har stor information, men at de ikke har en dynamisk proces, der kan fungere. Så ved at arbejde sammen tror jeg, at vi var i stand til at komme med nogle interessante resultater. ”
”Det mest spændende for mig er, at vi skal være i stand til at bruge disse overflod, som vi har på Jorden, Månen og Mars, til virkelig at fortælle historien om planetdannelse,” sagde Bottke.
Kilder: Videnskab, telefoninterview med Bottke
