Новая теория грозит перевернуть взгляды на формирование Солнечной системы

Мартин Шиллер (Martin Schiller) и Мартин Бизарро (Martin Bizzarro) из Копенгагенского университета, а также Вера Ассис Фернандес (Vera Assis Fernandes) из Музея естествознания в Берлине предложили новую модель возникновения Солнечной системы, объясняющую различия в изотопном составе планет. Авторы отвергают предположение, что большие и маленькие объекты росли одновременно, но с разной скоростью, и считают, что рост небольших тел закончился раньше, чем больших.

Солнце и планеты образовались из единого протопланетного диска.
Иллюстрация NASA/Jenny Mottar.

Практически все специалисты сегодня считают, что Солнце и планеты образовались из единого протопланетного облака. 99,9% массы этого диска пришлось на светило. Когда Солнце вспыхнуло, солнечный ветер вымел лёгкий водород и гелий из ближайших окрестностей звезды, поэтому газовые гиганты ныне находятся за орбитой Марса.

Под лучами молодой звезды протопланетная пыль спекалась в гранулы, которые называются хондрами. Слипаясь между собой, эти гранулы образовали небольшие камни – хондриты. К слову, именно этот "строительный мусор" составляет 90% найденных на Земле метеоритов.

Постепенно хондриты склеивались во все более крупные тела – планетезимали. Гравитация обеспечивала им приток свежего материала, и эти "зародыши" росли, пока самые большие из них не стали планетами, а остальные – астероидами. Когда запасы космической пыли в протопланетном диске истощились, рост тел Солнечной системы закончился.

Классическая теория предполагает, что все тела Солнечной системы росли одновременно, но с разной скоростью. Чем массивнее тело, тем мощнее его гравитация и тем больше окружающего вещества оно соберёт, в результате увеличив свои размеры ещё сильнее. Это принцип снежного кома, или, по-научному, положительная обратная связь. Этот закон управляет ростом городов (люди предпочитают ехать в мегаполисы, где больше денег и возможностей, отчего они разрастаются ещё сильнее), распространённостью языков (чем больше людей знает язык, тем больше стимулов его выучить) и так далее.

Не подвергая сомнению остальные пункты теории, Шиллер и его коллеги отвергают эту модель роста. По их мнению, маленькие тела не сумели вырасти, поскольку у них раньше закончилось налипание материала (как говорят специалисты, аккреция).

Как сообщает в обзоре работы журнал Nature, на эту мысль авторов навело различие в изотопном составе разных тел Солнечной системы. А именно, авторы исследовали соотношение изотопов кальция ⁴⁸Ca и ⁴⁴Ca на Земле, Марсе, Весте и в образцах редких типов метеоритов: урейлитов и ангритов (angrites).

Если все планеты и астероиды образовались в едином процессе из одной и той же космической пыли, почему соотношение этих изотопов отличается? Обычно это связывают с разным расстоянием до Солнца и, соответственно, разными температурами.

Однако авторы обнаружили, что соотношение изотопов кальция зависит от массы небесного тела. Массы Земли, Марса и Весты известны из астрономических наблюдений, а примерные массы объектов, осколками которых являются метеориты, учёные восстановили исходя из свойств "небесных гостей".

Новая теория пересматривает модель роста планет.
Иллюстрация в общественном достоянии.

Соотношение изотопов ⁴⁸Ca/⁴⁴Ca авторы измеряют величиной μ48Ca. Она рассчитывается так: μ⁴⁸Ca = (⁴⁸Ca/⁴⁴Ca_{небесное тело} — ⁴⁸Ca/⁴⁴Ca_Земля) / (⁴⁸Ca/⁴⁴Ca_Земля). В связи с тем, что различия в изотопном составе небольшие, μ⁴⁸Ca измеряется в миллионных долях (ppm). По определению, для Земли μ⁴⁸Ca = 0, а для других тел эта величина может быть как положительной, так и отрицательной.

Шиллер с коллегами предположил, что внутренняя часть протопланетного диска, расположенная внутри нынешней орбиты Юпитера, имела низкие значения μ⁴⁸Ca (примерно минус 150 ppm). Этого материала планетезималям хватило, чтобы вырасти до размеров тела – родины урейлитов (200 километров в диаметре).

Затем рост некоторых из этих тел остановился. Те же, что продолжали расти, наращивали массу уже за счёт внешней части диска с μ⁴⁸Ca около 200 ppm (значение, типичное для хондритов, сформировавшихся за орбитой Юпитера). Поэтому, чем дольше продолжался рост, тем больше оказалось итоговое значение μ⁴⁸Ca. Веста, остановившаяся на диаметре в 530 километров, имеет минус 100 ppm, Марс – минус 20 ppm, а Земля, как уже говорилось, 0 ppm.

Однако что за сила заставила некоторые из этих тел перестать расти? Это могло быть сложное гравитационное взаимодействие между "зародышами планет", меняющее их траектории. Нынешние планеты с их почти круговыми орбитами, лежащими в плоскости протопланетного диска, бороздили самые богатые веществом области рождающейся системы и поэтому продолжали расти. Неудачники же, вытолкнутые на вытянутые, а быть может, и лежащие в другой плоскости траектории, оставались на голодном пайке.

Вывод о разном возрасте образцов подтверждает и датировка по содержанию радиоактивных изотопов.

Вероятно, в пазле под названием "Образование Солнечной системы" всё ещё не хватает нескольких важных кусочков, без которых модель, отвечающая на все вопросы, не может быть построена.