Около 4,5 миллиардов лет назад Солнечная система была похожа на гигантскую игру в космический пинбол. В те далёкие времена планетарное тело размером с Марс врезалось в формирующуюся Землю. Столкновение было настолько мощным, что оно разрушило столкнувшуюся с Землёй протопланету, получившую название Тейя, и выбросило огромное количество материала на орбиту вокруг Земли — материала, который впоследствии сформировал Луну.
Новое исследование предполагает, что во время этого столкновения Тея оставила часть своего материала на поверхности формирующейся Земли, и этот обломок погрузился в нашу планету. Исследование, опубликованное в журнале Nature, показало, что сегодня материал Теи может составлять два огромных плотных фрагмента в мантии Земли.
Учёные-геологи уже несколько десятилетий знают, что в нижней части мантии, вблизи границы с ядром, существуют более плотные образования размером с континент. В этом новом исследовании, проведённом геофизиком из Калифорнийского технологического института Цянь Юанем и его коллегами, с помощью моделирования столкновения, в результате которого образовалась Луна, а также эволюции недр Земли, рассматривается вопрос о том, где могут скрываться остатки ударного тела и как они могли измениться с течением времени.
«Это очень интересный и провокационный результат, — говорит планетолог Робин Кануп из Юго-Западного исследовательского института в Боулдере, штат Колорадо, который не участвовал в исследовании. — Это означает, что у нас есть материал, который может рассказать нам больше о Тейе и помочь лучше понять… воздействие, сформировавшее Луну».
Внутренности Земли
Как и луковица, Земля состоит из слоёв. Однако, в отличие от овоща, ядро нашей планеты горячее, плотное и в основном металлическое. Оно состоит из внешнего вращающегося расплавленного слоя, окружающего более плотный шар диаметром 1500 миль. За этими двумя слоями ядра находится огромная мантия, которая составляет более 80 процентов объёма нашей планеты. Поверх мантии находится земная кора.
В мантии происходит большая часть событий: континентальные плиты смещаются и сталкиваются, а магма просачивается наружу. Из-за большой глубины к ней трудно получить прямой доступ, поэтому, чтобы лучше понять мантию, исследователи измеряют, как сейсмические волны проходят через неё во время землетрясений. Когда эти волны проходят через материалы разной плотности, они меняют скорость или направление. Собирая воедино эти фрагменты информации, исследователи могут составить карту внутренней части нашей планеты.
Такие исследования, проведённые за последние несколько десятилетий, показали, что в нижних слоях мантии есть два огромных сгустка — один под Южной Африкой, а другой под Тихим океаном, — которые отличаются по плотности и составу от окружающего материала. Сейсмические волны замедляются, когда проходят через эти сгустки, поэтому геологи назвали их большими провинциями с низкой скоростью сдвига (LLSVP). Эти области плотнее остальной мантии, и похоже, что они существуют уже миллиарды лет.
Однако учёные не уверены в том, как эти сгустки LLSVP оказались в мантии. Возможно, как предполагает новое исследование, эти сгустки образовались из протопланеты, которая врезалась в Землю и привела к формированию Луны.
Создание Луны
Когда 4,5 миллиарда лет назад астероид Тейя столкнулся с Землёй, он раскололся, и облака расплавленных обломков и пара окружили Землю, сформировав Луну. За последние 50 лет учёные изучили лунные образцы, собранные во время миссий «Аполлон» и при падении метеоритов, и объединили эту информацию с результатами компьютерного моделирования, чтобы составить эту историю — ведущую теорию о том, как образовалась Луна.
Но в этой теории всё ещё есть некоторые вопросы, в том числе тот, который геофизик Цянь Юань вспоминает со времён учёбы в аспирантуре: почему мы не нашли остатки Тейи здесь, на Земле?
Юань углубился в этот вопрос для своей дипломной работы в Университете штата Аризона и вместе со своим научным руководителем Мингмином Ли обратился к другим геофизикам и учёным, которые моделируют гипотезы столкновения Земли с Луной.
Астроном-вычислитель Хунпин Дэн из Шанхайской астрономической обсерватории в Китае сосредоточился на моделировании столкновения между Тейей и прото-Землёй и на том, как материал смешивался — или не смешивался — в слоях Земли. Его компьютерная модель включала более мелкие детали, чем предыдущие симуляции, и показала, что часть материала Тейи, расплавившегося во время столкновения, осталась на Земле. Модель предполагает, что этот материал был плотнее, чем верхняя мантия прото-Земли, и опустился в нижнюю мантию, где остался в виде различимых сгустков, не смешавшись.
«Я просто пытался их смешать, — говорит Дэн о своей работе по моделированию, — но они не смешиваются».
Смешивание материалов в мантии
По словам Канупа, самый важный вопрос, связанный с новой моделью, заключается в том, сможет ли материал, образовавшийся в результате столкновения, «не смешаться и не гомогенизироваться в мантии Земли в течение следующих четырёх с половиной миллиардов лет».
Некоторые исследователи не согласны с этим. «В наших симуляциях мантия Тейи и мантия Земли, как правило, хорошо перемешаны», — говорит планетолог Мики Накадзима из Рочестерского университета в Нью-Йорке. Её исследования, проводившиеся в течение последних нескольких лет, были посвящены тому, как формируются слои в каменистых планетах Солнечной системы.
«Я не думаю, что материал ударника был полностью перемешан, но в этом исследовании недооценивается степень перемешивания», — добавляет геодинамик Максим Баллмер из Университетского колледжа Лондона. Баллмер, хотя и не участвовал в написании этой новой статьи Nature, несколько лет назад сотрудничал с Денгом в смежном исследовании.
Ученые сходятся во мнении, что эти плотные области в мантии Земли существуют уже давно, но вопрос о том, как давно и откуда они появились, до сих пор остается открытым.
«Существует альтернативное объяснение образования этих скоплений», — говорит Боллмер. Он указывает на доказательства того, что большая часть того, что сейчас является твёрдой мантией, в начале эволюции Земли была горячей магмой, прежде чем разделиться на нынешние слои. Верхний слой быстро затвердел, поскольку излучал тепло в космос. Однако нижний слой затвердевал медленно и, согласно некоторым исследованиям, успел разделиться на более плотные и менее плотные участки.
Следующий шаг — сравнить химический состав материала этих сгустков и Луны, которая в основном состоит из Тейи. «Если у них одинаковый геохимический состав, значит, они происходят с одной и той же планеты», — говорит Юань.
Но собрать новый материал для изучения — это легче сказать, чем сделать. Геологи не могут пробурить достаточно глубокую скважину, чтобы напрямую взять образцы этих образований. Хотя, по словам Юаня, породы из глубинных слоёв иногда достигают поверхности, например, базальты острова Оушен.
Поверхность Луны подвергалась воздействию космического излучения на протяжении миллиардов лет и может быть загрязнена метеоритами, поэтому исследователи хотели бы проанализировать и материал из лунной мантии. Но образцы, которые учёные получают в лабораториях на Земле, в основном взяты с поверхности.
Новые фрагменты Луны, возможно, придётся ждать до миссии по возвращению образцов в южный регион, где мантия более открыта и доступна. До тех пор учёные будут продолжать совершенствовать свои модели в поисках призрака Тейи.