Внешняя Солнечная система не приняла участия в формировании Земли и Марса

12:31 27 Декабрь Киев, Украина

17 марсианских метеоритов по сравнению с земными хондритами указали на непричастность материала из внешней солнечной системы к формированию планет земной группы. Планетологи пришли к выводу, что строительным материалом Земли и Марса стала часть внутреннего протопланетного диска Солнца, не задетая метеоритами. Вклад внешней части повлиял всего на четыре процента Земли и Марса. Работа опубликована в Science Advances.

Откуда взялись Земля и Марс?

Материальной базой для формирования планет служат их собственные светила: звезда рождается в своем молекулярном облаке в результате коллапса, в результате чего появляется плотное облако из газа и пыли, не попадающее на ядро звезды, а вылетающее наружу. От характеристик этого диска, собственно, и зависит количество планет, их состав и физические особенности. И примерно 4,6 миллиарда лет назад, когда наша Солнечная система только формировалась, из ее строительного материала должны были сформироваться и планеты. Однако относительно планет земной группы Меркурия, Венеры, Земли и Марса у планетологов нет единого мнения. Существуют два принципиально разных процесса, в результате которых они могли появиться.

Первый предполагает, что эти планеты являются результатом аккреции материала из внутренней (до 3 астрономических единиц от Солнца) части протопланетного диска Солнца в планете зимали. После того, как газ рассеялся, была длительная фаза взаимных столкновений между планетными зародышами, что привело к появлению планет земной группы. Второй сценарий говорит о том, что на них повлияли зародыши миллиметрового размера с окрестностей Солнечной системы (от 3 до 7 астрономических единиц от Солнца), дрейфующих из-за сопротивления газа. Такая «галька» гораздо эффективнее может формировать планетные ядра гигантских планет, поэтому вполне вероятно, что она могла принять участие и в формировании планет земной группы.
 
Фото:  Иллюстрация двух сценариев формирования планет. Christoph Burkhardt et al. / Science Advances, 2021

Оба эти сценария возможны динамически, поэтому теоретически доказать или опровергнуть только один из них нельзя. Поэтому ответ следует искать в происхождении аккреционного материала, поскольку тогда по соотношению материалов из внешней и внутренней Солнечной системы можно будет точно определиться с теорией, по крайней мере, для Марса и Земли. Этим и занялась группа планетологов из институтов Германии, Франции и США.

Где искать следы ранней истории планет?

Количество материала внешней солнечной системы, который могли аккрецировать на себя планеты, можно определить с помощью нуклеосинтетических изотопных аномалий. Они возникают из-за неоднородного распределения досолнечных зерен, входящих в состав первичных метеоритов.

В частности, эти изотопные аномалии позволяют различать неуглеродные и углеродные метеориты, которые, скорее всего, представляют внутреннюю и внешнюю солнечную систему соответственно. Таким образом, изотопный состав Земли и Марса по соотношению этих метеоритов поможет определить, сколько материала внешней солнечной системы попало в планеты, когда они только формировались.

В чем тогда проблема планетологов?

И на этом мнения ученых тоже разделились. Некоторые исследования пришли к выводу, что Земля и Марс в значительной степени сформировались из материала внутренней солнечной системы, судя по содержанию неуглеродных метеоритов более чем на 95 процентов. Остальные утверждают о наличии от 30 до 50 процентов углеродных метеоритов, что в свою очередь согласовывается со сценарием о внешней части Солнечной системы. Следовательно, даже изотопные данные не могут различить две модели образования планет земной группы.

Однако предыдущие исследования не учли, что количество углеродных метеоритов на Земле невозможно точно определить. Они только делали конкретные предположения о том, какая комбинация известных метеоритов лучше всего представляет материал-предшественник Земли. Поэтому в новой работе ученые попытались оценить, сколько материала мы просто не учли в оценках происхождения планет, и таким образом получить данные о количестве углеродных метеоритов в основе планет.
 
Фото: Один из исследуемых марсианских метеоритов, Elephant Moraine (EETA) 79001. NASA/JSC

Так из чего построены Марс и Земля?

Для этого планетологи рассмотрели изотопные данные о титане, циркониях и молибденах в найденных на Земле марсианских метеоритах, что помогло определить долю внешней Солнечной системы, которую мог аккредитовать Марс. До сих пор таких точных данных по этим элементам не было. Согласно им, материалу внешней Солнечной системы на Земле и Марсе нашлось не более четырех процентов. Такое количество материала углеродных метеоритов оценили по изотопным аномалиям в элементах группы железа.

Интересно, что Земля аккредитовала больше материала из самой внутренней части Солнечной системы, чем Марс. Это согласуется с образованием Марса на большем расстоянии гелиоцентрического, чем Земля, а также объясняет изотопную разницу между Землей и Марсом, которая может отражать их образование в различных радиальных точках диска.

Низкая часть материала из внешней Солнечной системы указывает на заметно уменьшенный приток пыли во внутренний диск. Авторы исследования считают, что образование Юпитера могло стать барьером, обезопасившим планеты земной группы от воздействия внешней Солнечной системы. Об этой теории мы кстати рассказывали — по намагниченности хондритов ученые определили , что протопитер действительно мог поделить протопланетный диск в прошлом Солнце пополам. Также недавно Веста указала на непричастность пояса астероидов к формированию планет, хотя он появился в первые 5 миллионов лет жизни Солнечной системы.