Аномалии внутри Земли оказались остатками древней планеты Тейя
Столкновение Земли и Тейи произошло через десятки миллионов лет после их образования, и все это время Тейя могла быть четвертой планетой Солнечной системы, а Марс – пятой. Изображение: Gemini Observatory / Lynette Cook
Ученые из Университета штата Аризона, Калифорнийского технологического института в Пасадене и Даремского университета в Великобритании выяснили, что массивные аномалии в мантии Земли, известные как крупные области с низкой скоростью сдвига, на самом деле являются остатками планеты Тейя. Эта планета врезалась в Землю примерно 4,5 миллиарда лет назад, что привело к формированию Луны. Результаты исследования представлены в статье, опубликованной в журнале Nature.
Научная работа основана на методах гидродинамического моделирования и исследовании 2019 года, которое показало, что столкновение с планетой размером с Марс должно было привести к расслоению мантии на глубине примерно 1300 километров. Верхний слой представлял собой океан магмы, созданный в результате тщательного перемешивания материала первичной Земли (или Геи) с веществом Тейи, а более твердый нижний слой сохранил первоначальный состав. По оценкам, количество вещества Тейи, попавшего внутрь Земли, составляет 1,6-2 процента массы самой Земли.
Со временем верхний расплавленный слой затвердевал, его отдельные части тонули и накапливались на границе ядра и мантии Земли, где могли сохраняться в течение 4,5 миллиарда лет. Чтобы проследить за дальнейшей судьбой вещества Тейи, находившегося в этом слое, ученые использовали более высокоточное моделирование.
На границе ядра и мантии выявили две аномальные зоны
Ранее сейсмическое картографирование недр Земли выявило две большие аномальные области на границе мантии и ядра, названные крупными областями с низкой скоростью сдвига (LLVP). LLVP находятся под Африкой и Тихим океаном и достигают в поперечнике несколько тысяч километров, составляя шесть процентов объема всей Земли. Так, тихоокеанская LLVP имеет диаметр 3000 километров.
Эти зоны характерны тем, что в них падает скорость сдвиговых волн (S-волн) — поперечных волн, которые распространяются в твердых средах или в жидкостях с очень высокой вязкостью. Это говорит о том, что они резко отличаются по составу от остальной мантии.
Тейя – гипотетическая планета Солнечной системы, по размерам и массе близкая к Марсу. Ее существование следует из того факта, что Луна, по своему изотопному составу близкая к Земле, в основном «сделана» из земного материала, что возможно только при осколочном сценарии ее формирования. В его рамках требуется сторонняя планета значительных размеров, которая при столкновении с Землей выбила бы из нее достаточно материала для формирования Луны на околоземной орбите.
Было предложено несколько гипотез появления этих аномалий, включая расслоение мантии Земли или погруженные остатки океанической коры после столкновения Земли с другой планетой на заре существования Солнечной системы. Однако эти сценарии не объясняют наличия относительно большого количества летучих веществ в LLVP. Ученые предположили, что эти летучие компоненты изначально были захвачены Тейей из протопланетной туманности за орбитой Юпитера и удерживались ею до момента столкновения с Землей.
Планета Тейя оставила в недрах Земли сгустки мантии Чтобы подтвердить, что LLVP действительно представляют собой остатки Тейи, ученые смоделировали погружение вещества протопланеты в мантию Земли, исходя из его химического состава. Поскольку столкновение протопланеты с Землей привело к образованию Луны, то следует ожидать, что химический состав пород на Луне отражает состав мантии Тейи. Известно, что в мантии Луны в больших количествах содержится FeO, а также наблюдается низкое соотношение дейтерия к водороду. Модели воспроизводят эту картину в том случае, если масса FeO в мантии Тейи составляла 13-18 процентов массы всей мантии протопланеты.
Ученые рассчитали, что с учетом содержания FeO вещество мантии Тейи должно было быть на 2-3,5 процента плотнее мантии протоземли. Гидродинамические модели продемонстрировали, что после столкновения из материала Тейи образовались плотные сгустки размером в десятки километров, которые погружались и избегали перемешивания. К тому моменту, когда сгустки достигли ядра, они остыли и затвердели, при этом на затвердевание 50-километрового сгустка уходило всего 1000 лет.
В финальной части исследования специалисты использовали геодинамическую модель. В ней сгустки мантии Тейи представляли собой случайно распределенные сферы с радиусом 50 километров, которые на 2,5 процента плотнее окружающей мантии и обладают совокупным объемом примерно 4 процента от объема мантии Земли. Эти сгустки быстро опускались к ядру, а через 4,5 миллиарда лет в результате конвекции образовали две гигантские протяженные зоны, которые сохранили свой первоначальный состав. Рассчитанная скорость сдвиговых волн в этих зонах соответствовала таковой у LLVP.
Столкновение Тейи с Землей привело к появлению Луны В основе исследования лежит гипотеза, что столкновение Земли с Тейей привело к появлению Луны. Сценарий гигантского удара основан на сходстве пород Луны с породами Земли, что указывает на то, что часть земных пород попала в космос во время какого-то катастрофического события. Столкновение позволяет объяснить и ряд других загадок — например, появление огромного количества воды на Земле, а также большие размеры земного ядра.
Ряд специалистов предполагает, что Тейя возникла не рядом с Землей, а во внешней области Солнечной системы и состояла из хондритовых пород, обогащенных водой и другими летучими веществами. Она находилась на нестабильной орбите, и со временем гравитационные возмущения со стороны планет-гигантов заставили ее мигрировать ближе к Солнцу. Какое-то время она двигалась по той же орбите, что и Земля, находясь в одной из точек Лагранжа, однако влияние Венеры или Юпитера привело к столкновению.
Авторы предполагают, что, так как гигантские удары являются обычным явлением на конечных стадиях аккреции планет, неоднородности мантии, аналогичные LLVP и вызванные ударами, также могут существовать в недрах других планет.
