Меркурий отличается непропорционально тонкой каменистой оболочкой и очень большим ядром. До сих пор считалось, что силикаты из планеты «выбили» многочисленные астероиды. Новая гипотеза говорит об единственном столкновении со схожим по размеру телом — пишет « Hi-Tech_Mail.ru ».
Первое изображение Меркурия, сделанное зондом Маринер 10 с дистанции в 4,5 миллиона километров Источник: Unsplash
Образование Меркурия до сих пор остается загадкой. Ближайшая к Солнцу планета имеет непропорционально большое металлическое ядро, на долю которого приходится около 70% ее массы, небольшую по сравнению с ядром мантию и очень тонкую каменистую кору. До недавнего времени наиболее распространенным объяснением было то, что Меркурий потерял большую часть своей коры и мантии в результате долговременной бомбардировки астероидами небольших размеров. Однако динамическое моделирование показывает, что столкновения такого типа с участием тел с разной массой происходят довольно редко и едва ли могут до такой степени лишить планету ее внешних слоев.
Новое исследование предлагает альтернативное объяснение, основанное на типе событий, которые были гораздо более распространены в ранней Солнечной системе, —столкновения между телами схожей массы. Результаты опубликованы на сервере препринтов arXiv.
Первым автором исследования был Патрик Франко де Оливейра, доктор астрономии из Национальной обсерватории Бразилии и постдокторант Института физики Земли в Париже.
a–d. Временные интервалы между снимками указаны в верхних левых углах и не являются равными. Пространственный масштаб и ориентация на каждом снимке указаны в нижней части каждой панели. Прото-Меркурий (0,13 M⊕) представлен розовой мантией и бирюзовым ядром. Цель представлена красной мантией и желтым ядром. Угол падения составляет 32,5°, а скорость падения относительно невелика: 22,3 км/с−1. Общая продолжительность моделирования составляет 48 часов. a, Исходная ситуация непосредственно перед столкновением: два тела с соотношением массы ядра к массе тела 0,3, преимущественно каменистого состава. b,c, Промежуточные этапы столкновения. d, Через 48 часов сформировался кандидат в Меркурий с ZFe 0,68 и массой 0,056 M⊕, что очень близко к параметрам современного Меркурия. Источник: https://phys.org/
С помощью моделирования авторы показали, что для формирования Меркурия не нужны многочисленные разрушающие столкновения. Взаимодействие двух протопланетных тел сходной массы может объяснить его состав гораздо достовернее со статистической и динамической точек зрения.
Работа основана на результатах предыдущих симуляций, которые показали, что столкновения между телами с очень разной массой в ранней Солнечной системе происходили крайне редко, обычно кончались плохо для меньшего объекта и относительно безобидно для большего. Столкновения между телами с одинаковой массой происходили чаще, и целью исследования было выяснить, могут ли такие столкновения привести к образованию планеты с характеристиками, наблюдаемыми у Меркурия.
Это столкновение, вероятно, произошло на относительно позднем этапе формирования Солнечной системы, когда каменистые тела схожих размеров в прямом смысле «боролись за место под Солнцем» — поближе к родительскому светилу.
Строение Меркурия. Схема: 1. Кора, толщина — 26 ± 11 км. 2. Мантия, толщина — 600 км. 3. Ядро, радиус — 1800 км. Источник: https://commons.wikimedia.org/
По словам Франко, это были эволюционирующие объекты в «яслях» планетарных эмбрионов, которые гравитационно взаимодействовали друг с другом, нарушая орбиты друг друга и сталкиваясь, пока не остались только четко определенные и стабильные орбитальные конфигурации, которые мы знаем сегодня.
Чтобы воссоздать этот гипотетический сценарий, исследователи использовали вычислительный метод под названием «сглаженная гидродинамика частиц» (smoothly-smoothed particle hydrodynamics, SPH). SPH позволяет моделировать движение газов, жидкостей и твердых материалов, особенно в условиях, связанных с большими деформациями, столкновениями или фрагментацией.
Этот метод, широко используемый в космологии, астрофизике и планетарной динамике, а также в инженерии и компьютерной графике, основан на функции Лагранжа, разработанной Жозефом Луи Лагранжем (1736–1813). Эта функция описывает эволюцию системы, рассматривая индивидуальное движение каждой составляющей ее точки или частицы в пространстве с течением времени.
Сравнение размеров планет Земной группы Источник: https://commons.wikimedia.org/
В отличие от эйлерова формализма (разработанного Леонардом Эйлером, 1707–1783), который описывает то, что происходит в фиксированных точках пространства, функция Лагранжа учитывает «точку зрения» движущейся частицы.
С помощью детального моделирования в рамках гидродинамики сглаженных частиц авторы работы обнаружили, что можно с высокой точностью воспроизвести как общую массу Меркурия, так и его необычное соотношение металлов и силикатов. Погрешность модели составила менее 5%.
Это предположение помогает объяснить, почему у Меркурия такая низкая общая масса, несмотря на большое металлическое ядро, и почему у него сохранился лишь тонкий слой каменистого материала.
Ученые предположили, что изначально Меркурий имел состав, и структуру схожие с составом и структурой других планет земной группы. В результате столкновения было утрачено до 60 % его первоначальной мантии, что объясняет повышенное содержание металлов.
Сравнение внутренней структуры планет Земной группы Источник: https://commons.wikimedia.org/
Где обломки?
Новая модель позволяет избежать ограничений, присущих предыдущим сценариям. В этих сценариях материал, оторвавшийся во время столкновения, снова присоединяется к планете. Если бы это было так, то у Меркурия не было бы нынешней диспропорции между ядром и мантией. Но в предлагаемой модели, в зависимости от начальных условий, часть оторвавшегося материала может быть выброшена и никогда не вернется, что сохраняет диспропорцию между ядром и мантией.
В этом случае возникает очевидный вопрос: куда делся выброшенный материал. Если столкновение произошло на близлежащих орбитах, то, возможно, этот материал был захвачен другой формирующейся планетой, например Венерой. Эту гипотезу еще предстоит изучить более подробно.
Прохождение Меркурия по диску Солнца 8 ноября 2006 года. Меркурий виден как маленькая точка около центра фотографии в правой нижней четверти диска. Меркурий выглядит в несколько раз меньше, чем одно из пятен (№ 923) на Солнце (пятно видно в левой части фотографии). Фото иллюстрирует чувствительность современных телескопов, способных обнаруживать транзитные экзопланеты на огромных расстояниях от Земли. Источник: https://commons.wikimedia.org/
По словам Франко, предложенную модель можно расширить, чтобы исследовать формирование других каменистых планет и лучше понять процессы дифференциации и потери вещества в ранней Солнечной системе. Следующим шагом в исследовании должно стать сравнение с геохимическими данными, полученными из метеоритов и образцов космических миссий, изучавших Меркурий, таких как BepiColombo — совместная инициатива Европейского космического агентства (ESA) и Японского агентства аэрокосмических исследований (JAXA).
Меркурий остается наименее изученной планетой в Земной группе. Но ситуация меняется. Сейчас проводится новое поколение исследований и миссий, и впереди нас ждет много интересного.
Патрик Франко
астроном.
Мини-парад планет: Луна, Венера и Меркурий (снизу вверх). Источник: Wikimedia.org
Недавно американский зонд Messenger обнаружил в экзосфере Меркурия следы лития. Ученые объяснили, почему это важно.
