Формирование Меркурия остаётся загадкой
Планета, ближайшая к Солнцу, имеет непропорционально большое металлическое ядро, на которое приходится около 70% её массы, и относительно небольшую каменистую мантию. До сих пор наиболее распространённым объяснением было то, что Меркурий потерял большую часть своей коры и мантии после катастрофического столкновения с крупным небесным телом. Однако динамическое моделирование показывает, что столкновения между телами с очень разной массой крайне редки.
Новое исследование предлагает альтернативное объяснение
Новое исследование предлагает альтернативное объяснение, основанное на событии, которое было гораздо более распространено в ранней Солнечной системе — почти столкновении между телами схожих масс. Результаты опубликованы в журнале Nature Astronomy.
Первым автором исследования стал Патрик Франко, астроном с докторской степенью из Национальной обсерватории в Бразилии и постдокторант в Институте физики Земли в Париже во Франции.
«С помощью моделирования мы показываем, что для формирования Меркурия не требуются исключительные столкновения. Столкновение по касательной между двумя протопланетами схожих масс может объяснить его состав. Это гораздо более правдоподобный сценарий со статистической и динамической точек зрения», — говорит Франко.
«Наша работа основана на выводе, сделанном в ходе предыдущих симуляций, о том, что столкновения между телами с очень разной массой — крайне редкие события. Столкновения между объектами схожих масс встречаются чаще, и цель исследования состояла именно в том, чтобы проверить, способны ли эти столкновения привести к появлению планеты с характеристиками, наблюдаемыми у Меркурия», — объясняет Франко.
Гипотетическое столкновение
Это возможное столкновение произошло бы на относительно позднем этапе формирования Солнечной системы, когда каменистые тела схожих размеров конкурировали за пространство во внутренних регионах, ближе к Солнцу.
«Они были эволюционирующими объектами, в питомнике планетарных эмбрионов, взаимодействуя гравитационно, нарушая орбиты друг друга и даже сталкиваясь, пока не остались только чётко определённые и стабильные орбитальные конфигурации, которые мы знаем сегодня», — объясняет Франко.
Чтобы воссоздать этот гипотетический сценарий, исследователи использовали вычислительный численный метод, называемый «сглаженная гидродинамика частиц» (SPH). SPH может моделировать газы, жидкости и твёрдые материалы в движении, особенно в контекстах, связанных с большими деформациями, столкновениями или фрагментациями.
Метод сглаженной гидродинамики частиц (SPH)
Широко используемый в космологии, астрофизике и планетарной динамике, а также в инженерии и компьютерной графике, этот метод использует функцию Лагранжа, разработанную Жозефом Луи Лагранжем (1736–1813). Функция описывает эволюцию системы, рассматривая, как каждая составляющая точка или частица движется индивидуально в пространстве с течением времени.
В отличие от эйлерова формализма (разработанного Леонардом Эйлером, 1707–1783), который наблюдает за тем, что происходит в фиксированных точках пространства, функция Лагранжа следует «точке зрения» движущейся частицы.
«Благодаря детальному моделированию в сглаженной гидродинамике частиц мы обнаружили, что можно с высокой точностью воспроизвести как общую массу Меркурия, так и его необычное соотношение металлов и силикатов. Погрешность модели составила менее 5%», — говорит Франко.
Предложение помогает объяснить, почему Меркурий имеет низкую общую массу, несмотря на большое металлическое ядро, и почему он сохраняет только тонкий слой каменистого материала.
«Мы предположили, что изначально Меркурий имел состав, аналогичный составу других планет земной группы. Столкновение могло бы унести до 60% его первоначальной мантии, что объясняет его повышенную металличность», — объясняет исследователь.
Кроме того, новая модель избегает ограничения предыдущих сценариев.
«В этих сценариях материал, оторванный во время столкновения, повторно включается в состав самой планеты. Если бы это было так, Меркурий не демонстрировал бы свою текущую диспропорцию между ядром и мантией. Но в модели, которую мы предлагаем, в зависимости от начальных условий часть оторванного материала может быть выброшена и никогда не вернётся, что сохраняет диспропорцию между ядром и мантией», — утверждает Франко.
Очевидный вопрос в этом случае заключается в том, куда делся выброшенный материал.
«Если столкновение произошло на соседних орбитах, одна из возможностей состоит в том, что этот материал был включён в состав другой планеты в процессе формирования, возможно, Венеры. Это гипотеза, которая всё ещё нуждается в более глубоком изучении», — говорит исследователь.
Согласно Франко, предложенная модель может быть расширена для исследования формирования других каменистых планет и способствовать нашему пониманию процессов дифференциации и потери материала в ранней Солнечной системе. Следующие шаги в исследовании должны включать сравнение с геохимическими данными из метеоритов и образцов, полученных в ходе космических миссий, таких как BepiColombo, совместная инициатива Европейского космического агентства (ESA) и Японского агентства аэрокосмических исследований (JAXA).
«Меркурий остаётся наименее изученной планетой в нашей системе. Но ситуация меняется. Сейчас идёт новое поколение исследований и миссий, и впереди ещё много интересного», — говорит Франко.