Wspólny budulec Marsa, Ziemi, Wenus i Merkurego

Ziemia i Mars powstały z materiału, który w dużej mierze znajdował się w wewnętrznym Układzie Słonecznym; tylko kilka procent elementów budulcowych tych dwóch planet powstało poza orbitą Jowisza. Grupa naukowców z Uniwersytetu w Münster (Niemcy) donosi o tych odkryciach w czasopiśmie Science Advances. Przedstawiają najbardziej kompleksowe porównanie do tej pory składu izotopowego Ziemi, Marsa i czystego materiału budulcowego z wewnętrznego i zewnętrznego Układu Słonecznego. Niektóre z tych materiałów są do dziś znajdowane w meteorytach w dużej mierze niezmienione. Wyniki badań mają daleko idące konsekwencje dla naszego zrozumienia procesu, który uformował Merkurego, Wenus, Ziemię i Marsa. Teoria postulująca, że ​​cztery skaliste planety urosły do ​​swoich obecnych rozmiarów poprzez akumulację milimetrowych kamyków pyłu z zewnętrznego Układu Słonecznego, jest nie do utrzymania.

Około 4,6 miliarda lat temu, we wczesnych latch naszego Układu Słonecznego, wokół młodego Słońca krążył dysk pyłu i gazów. Dwie teorie opisują, jak w ciągu milionów lat wewnętrzne skaliste planety uformowały się z tego pierwotnego materiału budowlanego. Zgodnie ze starszą teorią pył w wewnętrznym Układzie Słonecznym aglomerował się do coraz większych kawałków, stopniowo osiągając rozmiary zbliżone do naszego Księżyca. Zderzenia tych embrionów planetarnych ostatecznie doprowadziły do ​​powstania planet wewnętrznych Merkurego, Wenus, Ziemi i Marsa. Jednak nowsza teoria preferuje inny proces wzrostu: milimetrowe „kamyki” pyłu migrowały z zewnętrznego Układu Słonecznego w kierunku Słońca. Po drodze akreowały na planetarnych embrionach wewnętrznego Układu Słonecznego i krok po kroku powiększały je do obecnego rozmiaru.

Obie teorie opierają się na modelach teoretycznych i symulacjach komputerowych mających na celu rekonstrukcję warunków i dynamiki we wczesnym Układzie Słonecznym; oba opisują możliwą ścieżkę powstawania planet. Ale który z nich jest właściwy? Jaki proces faktycznie miał miejsce? Aby odpowiedzieć na te pytania w swoich bieżących badaniach, naukowcy z Uniwersytetu w Münster (Niemcy), Obserwatorium Lazurowego Wybrzeża (Francja), Kalifornijskiego Instytutu Technologicznego (USA), Muzeum Historii Naturalnej w Berlinie (Niemcy) oraz Wolnego Uniwersytetu w Berlinie (Niemcy) określili dokładny skład planet skalistych Ziemi i Marsa. Aby dowiedzieć się, czy elementy budulcowe Ziemi i Marsa pochodzą z zewnętrznego czy wewnętrznego Układu Słonecznego naukowcy badali izotopy metali (izotopy to różne odmiany tego samego pierwiastka, różniące się jedynie masą jądra atomowego). Kluczowych wskazówk dostarczają izotopy rzadkich metali, tytanu, cyrkonu i molibdenu, znajdujące się w drobnych śladach w zewnętrznych, bogatych w krzemiany warstwach obu planet.

Meteoryty jako punkt odniesienia

Naukowcy zakładają, że we wczesnym Układzie Słonecznym te i inne izotopy metali nie były rozmieszczone równomiernie. Ich obfitość zależała raczej od odległości od słońca. Posiadają zatem cenne informacje o tym, gdzie we wczesnym Układzie Słonecznym powstały pewne elementy budulcowe ciała.

Jako odniesienie do oryginalnej inwentaryzacji izotopowej zewnętrznego i wewnętrznego Układu Słonecznego, naukowcy wykorzystali dwa rodzaje meteorytów. Te kawałki skały zazwyczaj trafiały na Ziemię z pasa asteroid, obszaru pomiędzy orbitami Marsa i Jowisza. Są uważane za w dużej mierze nieskażony materiał z początków Układu Słonecznego. Podczas gdy tak zwane chondryty węglowe, które mogą zawierać do kilku procent węgla, powstały poza orbitę Jowisza i dopiero później przeniosły się w pas asteroid pod wpływem rosnących gazowych gigantów. Ich bardziej ubodzy w węgiel kuzyni, chondryty niewęglowe , pochodzą z wewnętrznego układu słonecznego.

Dokładny skład izotopowy dostępnych zewnętrznych warstw skalnych Ziemi oraz obu typów meteorytów był badany od pewnego czasu; jednak nie przeprowadzono dostatecznie wyczerpujących analiz skał marsjańskich. W swoich bieżących badaniach naukowcy przeanalizowali próbki z łącznie 17 meteorytów marsjańskich, które można przypisać do sześciu typowych typów skał marsjańskich. Ponadto naukowcy po raz pierwszy zbadali obfitość trzech różnych izotopów metali.

Próbki meteorytów marsjańskich zostały najpierw sproszkowane i poddane złożonej obróbce chemicznej. Korzystając z wielokolektorowego plazmowego spektrometru mas w Instytucie Planetologii Uniwersytetu w Münster, naukowcy byli w stanie wykryć niewielkie ilości izotopów tytanu, cyrkonu i molibdenu. Następnie przeprowadzili symulacje komputerowe, ile materiału budowlanego znajdującego się obecnie w chondrytach węglowych i niewęglowych musiało zostać zgromadzone na Ziemi i Marsie w celu odtworzenia zmierzonego składu. W ten sposób rozważyli dwie różne fazy akrecji, aby wyjaśnić odmienną historię odpowiednio izotopów tytanu i cyrkonu oraz izotopów molibdenu. W przeciwieństwie do tytanu i cyrkonu molibden gromadzi się głównie w metalicznym jądrze planety. Niewielkie ilości, które wciąż znajdują się w bogatych w krzemiany warstwach zewnętrznych, mogły zostać dodane dopiero w ostatniej fazie rozwoju planety.

Wyniki naukowców pokazują, że zewnętrzne warstwy skalne Ziemi i Marsa mają niewiele wspólnego z węglowymi chondrytami węglowymi z zewnętrznego Układu Słonecznego. Stanowią one tylko około czterech procent oryginalnego budulca obu planet. Gdyby wczesna Ziemia i Mars gromadziły głównie ziarna pyłu z zewnętrznego Układu Słonecznego, wartość ta powinna być prawie dziesięciokrotnie wyższa – twierdzi prof. dr Thorsten Kleine z Uniwersytetu w Münster. W związku z tym nie można potwierdzić tej teorii powstawania planet wewnętrznych z materiału pochodzącego z zewnetrznego Układu Słonecznego.

Zagubiony materiał budowlany

Ale skład Ziemi i Marsa również nie odpowiada dokładnie materii niewęglowych chondrytów. Symulacje komputerowe sugerują, że w grę musiał również wchodzić inny rodzaj materiału budowlanego. „Skład izotopowy tego trzeciego rodzaju materiału budowlanego, jak wywnioskowały nasze symulacje komputerowe, wskazuje, że musiał on pochodzić z najbardziej wewnętrznego obszaru Układu Słonecznego” – wyjaśnia Christoph Burkhardt. Ponieważ ciała z tak bliskiej odległości od Słońca prawie nigdy nie zostały rozproszone w pasie asteroid, materiał ten został prawie całkowicie wchłonięty przez planety wewnętrzne, a zatem nie występuje w meteorytach. „To, że tak powiem, »zagubiony materiał budowlany«, do którego nie mamy już dziś bezpośredniego dostępu”, mówi Thorsten Kleine.

Zaskakujące odkrycie nie zmienia konsekwencji badań dla teorii powstawania planet. „Fakt, że Ziemia i Mars najwyraźniej zawierają głównie materię z wewnętrznego Układu Słonecznego, dobrze pasuje do formowania się planet w wyniku zderzeń dużych ciał w wewnętrznym Układzie Słonecznym” – podsumowuje Christoph Burkhardt.