Ученые-планетологи доказали, что Земля образовалась из материала исключительно внутренней части Солнечной системы

Ученые-планетологи давно спорят о том, откуда взялся материал, из которого сформировалась Земля. Несмотря на то, что наша планета находится во внутренней части Солнечной системы, они считают вероятным, что от 6 до 40 % этого материала поступило из внешней части Солнечной системы, то есть из-за пределов орбиты Юпитера. Долгое время считалось, что материал из внешней части Солнечной системы был необходим для доставки на Землю летучих компонентов, таких как вода. Соответственно, во время формирования Земли должен был происходить обмен материалом между внешней и внутренней частями Солнечной системы. Но так ли это на самом деле?

«Мы были по-настоящему поражены»

Ученые-планетологи Паоло Сосси и Дэн Бауэр из Швейцарской высшей технической школы Цюриха сравнили существующие данные об изотопных соотношениях широкого спектра метеоритов, в том числе с Марса и астероида Веста, с данными по Земле. Изотопы — это атомы одного и того же элемента (с одинаковым количеством протонов), но с разной массой (разным количеством нейтронов).

Исследователи по-новому проанализировали эти данные и пришли к неожиданному выводу: материал, из которого состоит Земля, полностью сформировался во внутренней области Солнечной системы.

В то же время на долю материала из внешней части Солнечной системы, скорее всего, приходится менее двух процентов массы Земли, а то и вовсе ничего.

«Наши расчеты ясно показывают, что строительный материал Земли происходит из одного источника», — говорит Сосси. Его коллега Бауэр добавляет: «Мы были по-настоящему поражены, обнаружив, что Земля полностью состоит из материала внутренней части Солнечной системы, отличного от любых существующих метеоритов».

Для своего исследования ученые из Швейцарской высшей технической школы Цюриха использовали имеющиеся данные о десяти различных изотопных системах метеоритов и проанализировали их с помощью специального статистического метода. В предыдущих исследованиях в основном рассматривались только две изотопные системы.

«Наши исследования — это, по сути, эксперименты в области науки о данных, — говорит Сосси. — Мы проводили статистические расчеты, которые редко используются в геохимии, хотя это мощный инструмент».

Изотопный состав указывает на происхождение

Изотопы в метеоритах уже давно используются исследователями для определения происхождения небесных тел, то есть того, из какой части Солнечной системы они прибыли. Однако исторически для определения их происхождения использовались только различные изотопы кислорода.

Лишь в начале 2010-х годов американский исследователь обнаружил, что для этой цели можно использовать и другие изотопы, например хрома и титана. Это позволило ученым разделить метеориты на две категории: неуглеродистые, которые образуются исключительно во внутренней части Солнечной системы, и углеродистые, которые содержат больше воды и углерода и образуются во внешней части Солнечной системы.

Согласно новому анализу, Земля полностью состоит из неуглеродсодержащего материала. Никаких доказательств ранее предполагаемого обмена между внешними и внутренними областями Солнечной системы обнаружено не было.

Таким образом, Земля формировалась в относительно стабильной системе, поглощая по мере роста меньшие соседние планеты. Это также означает, что большинство летучих элементов, таких как вода, уже должны были присутствовать во внутренней части Солнечной системы.

Юпитер выступает в роли материального барьера

Но почему в нашей Солнечной системе есть два отдельных материальных резервуара? Исследователи предполагают, что наша Солнечная система разделилась на два резервуара во время своего формирования из-за быстрого роста и увеличения размеров Юпитера.

Гравитация газового гиганта пробила брешь в протопланетном диске, вращавшемся вокруг молодого Солнца. Эти диски имеют форму кольца и состоят из газа и пыли; именно в них зарождаются планеты. Юпитер препятствовал проникновению вещества из внешней части Солнечной системы во внутреннюю. Однако до сих пор было неясно, насколько проницаемым был этот барьер.

В своем новом анализе два исследователя ETH демонстрируют, что почти никакой материал из-за пределов Юпитера не попадал на Землю.

«Наши расчеты очень точны и опираются исключительно на сами данные, а не на физические допущения, поскольку они еще не до конца изучены», — подчеркивает Бауэр. Анализ также показывает, что состав материала Земли аналогичен составу Весты и Марса.

Исследователи также предполагают, что Венера и Меркурий находятся на одной линии. «На основе нашего анализа мы можем теоретически предсказать состав этих двух планет», — говорит Сосси. Однако он не может подтвердить это аналитически, поскольку исследователям пока недоступны образцы горных пород с Меркурия и Венеры — двух ближайших к Солнцу планет Солнечной системы.

Новый взгляд на историю формирования

«Наши результаты проливают новый свет на историю формирования Земли и других каменистых планет», — говорит Сосси.

Сосси и его команда намерены выяснить, почему в горячей внутренней части Солнечной системы было достаточно воды для формирования земных океанов. Кроме того, они изучат, можно ли применить эти процессы к экзопланетным системам.

«Однако до тех пор нам с Дэном предстоит пережить немало жарких споров о материальном составе Земли и соседних с ней планет, потому что, несмотря на новые открытия, научный дискурс о строительных блоках Земли еще далек от завершения», — говорит Сосси.

На изображении:

Примерно так могло выглядеть формирование Земли в нашей Солнечной системе. Рождение двух планет (светло-коричневые точки) в протопланетном диске вокруг молодой звезды WISPIT 2. Источник: ESO / К. Лоулор, Р. Ф. ван Капеллевин и др. / Creative Commons BY 4.0