Комп'ютерне моделювання зіткнення планет на пізній стадії розвитку Сонячної системи змінює уявлення про еволюцію Землі.
Тиск всередині планет - ключовий фактор у фізиці та хімії їх формування та розвитку. До цього часу планетологи вважали, що внутрішній тиск безперервно збільшується з ростом маси планети. Однак нове дослідження, проведене в Каліфорнійському технологічному інституті, показало, що удар, який випробувала Земля 4,5 мільярда років тому при утворенні Місяця, міг викликати випадкові коливання тиску в земному ядрі і мантії. Тиск після удару міг тимчасово сильно зменшитися, а потім довго відновлюватися. Це відкриття має серйозні наслідки для хімічної структури планети та її подальшої еволюції. Зокрема, це пояснює деякі дивовижні геохімічні аномалії в мантії Землі.
Планетні системи зазвичай починають своє формування з газопилового диска, який повільно накопичується в зародках майбутніх планет. Наприкінці цього процесу відбуваються зіткнення тіл, що утворилися, в результаті яких вони об'єднуються, утворюючи кінцеві планети. Енергія, що виділяється при цих ударах, може випаровувати значну частину планети і навіть тимчасово перетворювати два стикаються тіла на обертовий «пончик» планетарного матеріалу, що отримав назву синестія. Пізніше він остигає, перетворюючись назад на одне або кілька сферичних тіл. Вважається, що так сталося і з ударом, що утворив Місяць.
Дослідники Калтеха використовували обчислювальні моделі гігантських ударів і планетарних структур для імітації зіткнень тіл з масами від 0,9 до 1,1 маси Землі, і виявили, що відразу після зіткнення їх внутрішні тиски були набагато нижче, ніж очікувалося. Вони з'ясували, що зниження тиску було викликано сильно збільшеною швидкістю обертання і зменшенням щільності гарячої, частково випарованої речовини. Обертання створило відцентрову силу, що діє проти сили тяжкості, як би відштовхуючи матеріал від осі обертання.
Тиск відразу після удару, подібного до того, який, як вважається, сформував Місяць, міг бути вдвічі меншим, ніж у сучасній Землі. Якщо це вірно, то відкриття допоможе усунути давнє протиріччя між уявленнями сучасної геохімією мантії Землі і фізичними моделями формування планет.
У міру росту протоземлі кожен об'єкт, який стикався з нею, доставляв метал в мантію. Після кожного удару метал поглинав невелику кількість інших елементів з мантії, а потім занурювався в ядро, захоплюючи за собою ці елементи.
Кількість кожного елемента, який розчинявся в металі, визначалася, зокрема, внутрішнім тиском Землі. Таким чином, хімічний склад мантії сьогодні фіксує тиск у ній під час формування планети.
Дослідження металів в земній мантії показують, що цей процес поглинання відбувався при менших тисках, ніж це випливає з фізичних моделей формування планет. Показавши, що тиск після гігантських ударів був нижчим, ніж вважалося раніше, автори роботи, можливо, знайшли фізичний механізм для вирішення цієї проблеми.
Дослідники вважають, що це явище змінить і інші уявлення про еволюцію Землі. Вони планують використовувати свої результати для розрахунку впливу випадкових змін тиску під час формування планет на їх хімічну структуру. А також продовжать вивчати, як планети відновлюються після «травми», як це впливає на зміцнення мантії, освіту кори тощо.
Результати дослідження опубліковані в журналі Science Advances
За матеріалами Каліфорнійського технологічного інституту