Как Земля, единственная среди каменистых планет Солнечной системы, стала домом для жизни? Среди всех этих холодных и безжизненных просторов наша планета стала тёплой, гостеприимной и пригодной для жизни. Ответ на эти вопросы сложен и многогранен, и часть ответа кроется в космохимии — междисциплинарной области, изучающей распределение химических элементов.
Солнечная система — это место, где всё находится в движении. 4,5 миллиарда лет назад она была ещё более хаотичной: планеты всё ещё формировались, а планетезимали и планетарные эмбрионы носились по космосу и сталкивались друг с другом. Каким-то образом в этом хаосе Земля получила больше, чем свою долю углеродистых хондритов и аминокислот, а также других химических веществ, способствующих жизни.
Исследования в области космохимии показали, что от 5% до 10% массы Земли приходится на углеродистые хондриты, которые врезались в молодую планету. Учёные также выяснили, что значительная часть этого материала поступила из столкновения с Тейей, которое привело к образованию Луны.
Для более тщательной проверки этих идей трио исследователей использовало динамическое моделирование формирования Солнечной системы, чтобы увидеть, смогут ли они воспроизвести её. Исследование под названием «Динамическое происхождение Тейи, последнего гигантского ударника на Земле» возглавил Дуарте Бранко из Института астрофизики и космических наук при Лиссабонской астрономической обсерватории в Португалии. Исследование будет опубликовано в журнале Icarus и в настоящее время доступно на сервере препринтов arXiv.
Одно из критических различий в космохимии — разница между углеродистыми хондритами (УХ) и не углеродистыми метеоритами (НУМ). Это деление населения метеоров Солнечной системы на две группы и предположение о том, что в Солнечной системе есть два различных резервуара материалов. УХ образовались дальше от Солнца, вероятно, за пределами Юпитера, и несут с собой больше летучих веществ, таких как вода и органические соединения. НУМ включают в себя, например, железные метеориты и содержат меньше летучих веществ.
Чтобы проверить идею о том, что Тейя доставила УХ и летучие вещества на Землю, исследователи провели детальное моделирование Солнечной системы. Это были N-body-симуляции поздних стадий роста земных планет.
Симуляции начались на поздних стадиях планетарного роста после того, как газовый диск Солнечной системы рассеялся. Доступная твёрдая масса была разделена на планетезимали и планетарные эмбрионы. Симуляция включала УХ, которые были рассеяны внутрь, когда Юпитер и Сатурн всё ещё росли и накапливали материю. Из-за различий в размерах между планетезималями и планетарными эмбрионами у последних выше вероятность взаимодействия с земными планетами и доставки УХ-материала.
Исследователи провели три типа симуляций. В первом они использовали только малые УХ-объекты, или планетезимали. Во втором — только большие УХ-объекты, планетарные эмбрионы. В третьем — и планетезимали УХ, и эмбрионы, и этот сценарий называется «смешанным».
Для подмножества из 10 симуляций из каждого из этих сценариев они включили эффект динамической нестабильности гигантских планет. Это известно как «Nice model» в астрономии и описывает, как гигантские планеты изменили свои орбиты с тех мест, где они изначально сформировались.
Цель состояла в том, чтобы определить, как УХ и НУМ были распределены в Солнечной системе, и понять, почему на Земле оказалось больше УХ, чем на других каменистых планетах, особенно на Марсе. Исследователи также хотели понять, мог ли удар Тейи быть ответственным за доставку большого количества УХ-материала на Землю.
Один из очевидных результатов заключается в том, что роль нестабильности гигантских планет, особенно смещение Юпитера на другую орбиту, оказала заметное влияние на аккрецию УХ-материала Землёй. Когда исследователи добавили динамическую нестабильность гигантских планет, всё стало ещё интереснее.
Критическая часть симуляций касается ударника Тейи. Предыдущие исследования предполагают, что Тейя могла быть углеродистым объектом. Если это правда, то большая часть жизнеобеспечивающей обитаемости Земли могла быть результатом этого столкновения.
В смешанном сценарии без динамической нестабильности гигантских планет последний ударный объект Земли включал УХ-компонент более чем в половине всех симуляций. В 38,5% симуляций последний ударный объект был чистым УХ-эмбрионом, а в другой 13,5% — НУМ-эмбрионом, который ранее аккумулировал УХ-эмбрион.
В целом, симуляции рисуют картину ранней Солнечной системы с двумя различными кольцами планетезималей: внутренним кольцом, состоящим из каменистых планетезималей, и внешним кольцом углеродистых хондритов. Позже, когда ледяные гиганты мигрировали внутрь, они направили УХ-материал во внутреннюю Солнечную систему. Некоторые из них были захвачены в поясе астероидов, в то время как более массивные были преимущественно рассеяны по орбитам каменистых планет.
Исследователи стремились показать, что, в соответствии с другими исследованиями, Тейя могла быть последним крупным ударником Земли и что она содержала достаточно УХ-материала. Похоже, им это удалось. В симуляциях последний гигантский удар Земли пришёлся на Тейю, и этот объект имел более высокую концентрацию УХ-материала, что помогло сделать Землю пригодной для жизни. Этот результат соответствует научным представлениям. Работа показывает, что последний удар произошёл между 5 и 150 миллионами лет после рассеяния газа. Большая часть этих событий произошла в период от 20 до 70 миллионов лет.
Симуляции также подтверждают другие выводы, показывая, что УХ-эмбрионы и планетезимали могли аккумулироваться на протяжении всего роста Земли, но были сконцентрированы на более поздних этапах роста.
Исследование также показывает, что Юпитер сыграл важную роль в архитектуре Солнечной системы. Он не только ограничивает пояс астероидов, но и сыграл важную роль в определении окончательного состава земных планет, рассеивая УХ-материал из внешней Солнечной системы на пути каменистых планет, особенно Земли.
Чтобы Земля стала таким миром, поддерживающим жизнь, как сегодня, множество факторов должно было сложиться именно так. Неизвестно, насколько вероятно существование других подобных миров. Возможно, для поддержки жизни на экзопланете недостаточно просто находиться в обитаемой зоне. Может существовать бесчисленное множество переменных, которые должны совпасть, включая миграцию внешних гигантских планет и доставку углерода на каменистые миры в обитаемых зонах.