Европейским и американским планетологам удалось уточнить возраст Земли и Луны. Рассчитать более точно возраст образования планеты ученые смогли не выходя из лаборатории, довольствуясь лишь математическим моделированием. Поправка оказалась значительной.
Рождение планет
Согласно существующим представлениям, процесс формирования Солнечной системы занял несколько десятков миллионов лет после образования Солнца.
К исходу первых 10 млн лет за орбитой Марса уже сформировался Юпитер, а ближе к Солнцу существовали до ста твердых протопланет. К этому времени вещество протопланет уже разделилось на твердое ядро и мантию так, что железо и другие металлы медленно опускались к центру планет, а силикаты аккумулировались в верхних слоях. Со временем протопланеты претерпели неоднократные столкновения и образовали планеты земной группы – Меркурий, Венеру, Землю и Марс.
Принято считать, что Земля со своим единственным естественным спутником образовалась в результате столкновения двух протопланет размером с Венеру и Марс. Энергия, выделившаяся при столкновении протоземли с гипотетической планетой Теей, расплавила и отбросила от места катастрофы огромную массу вещества, окружившего будущую Землю.
«Теория мегаудара объясняет многие аспекты, которые не укладывались в теории параллельного образования из протопланетного диска. В частности – распространение железа, почему средняя плотности Земли 5 единиц с лишним, а Луны – 3,3», — пояснил Infox.ru заведующий отделом исследования Луны и планет ГАИШ МГУ Владислав Шевченко. «Поэтому считается, что Луна образовалась из вещества верхней мантии протоземли. Там, конечно, было меньше железа, и поэтому плотность Луны оказалась меньше, чем у Земли», — пояснил он. — «Вокруг Земли тогда образовался не расплав, а отдельные частицы, такое, скажем, газопылевое облако, так как при ударе даже камни испарились. Сотни миллионов лет в облаке возникали центры аккреции, они нарастали и слились вместе, образовав нынешнюю Луну», — добавил Шевченко.
Изотопы-свидетели
Оценивать возраст Земли и Луны ученым помогает анализ содержания вольфрама-182. Большая часть этого изотопа вольфрама образовалась благодаря радиоактивному распаду гафния-182 в первые 60 млн лет существования Солнечной системы. Эти элементы обладают разными химическими свойствами: гафний аккумулируется в силикатах, в то время как вольфрам образует связи с металлами. По этой причине на Земле большая часть вольфрама сосредоточена в ядре, а гафния – в веществе мантии.
Среди всех изотопов вольфрама, встречающихся в земной мантии, наиболее часто встречается 182W. Ученые считают, что этот изотоп – результат распада гафния, содержащегося в мантии еще до столкновения протоземли с другой планетой. «Проблема с этой интерпретацией была в том, успел ли вольфрам-182 опуститься из мантии в ядро во время первого его формирования», — пояснил Infox.ru Таис Даль, автор нового исследования из Института Нильса Бора при университете Копенгагена. Ответ на это вопрос мог бы дать корректировку возраста Земли и Луны: при современной концентрации в мантии вольфрама-182 Земля и Луна должны оказаться моложе, если перед столкновением протопланет вольфрам уйти из нее не успел.
Катастрофу просчитали
Ученые смоделировали процесс осаждения более тяжелых элементов из мантии в условиях горячей протоземли и степень перемешивания разных элементов при ударе объектов подобной массы. Осаждение более плотных фракций в менее плотных физики описывают возникновением неустойчивостями Релея-Тейлора.
«Мы выяснили, что смешивание силикатов с железом во время образования ядра было не завершено, так что вольфрам-182, оставшийся от распада гафния, все еще присутствовал в мантии. Наши модели показали, что железные ядра протопланет, диаметр которых превышал 10 километров, во время столкновения не смешивались», — пояснил Даль. При этом оказалось, что на смешивание вещества двух объектов почти не влияет их первоначальная скорость. Исходя из этого ученые дали новую оценку общему возрасту Земли и Луны. «Образовавший Луну удар случился позже, чем думали раньше – минимум 60 миллионов лет спустя, когда весь гафний-182 распался в вольфрам, но не позднее 150 миллионов лет после образования Солнечной системы, возраст которой оценивается в 4,567 миллиарда лет», — добавил Даль.
Исследование европейских ученых стало первым, в котором геохимические измерения были соотнесены с физическими моделями формирования ядра планеты. Работа опубликована в журнале Earth and Planetary Science Letters.
