Реализуемость этого сценария подтвердило численное моделирование
С помощью численных методов планетологи промоделировали динамику столкновения ранней Земли с протопланетой Тейя, результатом которого, согласно распространенной точке зрения, стало образование Луны. Как показало моделирование, значительная часть мантийного материала Тейи после столкновения должна была опуститься в нижний слой земной мантии. Здесь остатки протопланеты образовали крупные структуры с повышенной плотностью и низкой скоростью сдвиговых волн. Вопрос о происхождении этих областей до настоящего времени оставался спорным, и полученные учеными результаты могут помочь в его прояснении. Не исключено также, что многочисленные масштабные столкновения в ранней Солнечной системе привели к появлению подобных структур в мантии других планет, отмечают исследователи в статье, опубликованной в Nature.
Сейсмотомографические исследования показали, что в нижней мантии Земли, на границе с ядром, существуют протяженные (несколько тысяч километров в длину и до тысячи километров по вертикали) структуры, в которых поперечные (сдвиговые) сейсмические волны распространяются медленнее, чем в окружающем веществе. Они получили название суперплюмов, или крупных областей с низкой скоростью сдвига (LLSVP ― Large low-shear-velocity provinces). Ученые предположили, что LLSVP, в которых сосредоточено до шести процентов массы Земли, связаны с подъемом разогретого мантийного вещества. Однако в дальнейшем у этих областей были выявлены резкие границы и обнаружена повышенная плотность, что усложняет вопрос о происхождении и, возможно, указывает на различие химического состава LLSVP и вмещающей мантии.
Существует несколько версий появления крупных областей с низкой скоростью сдвига. Согласно первой, они представляют собой следы дифференциации вещества ранней Земли. Другая гипотеза связывает эти структуры с глобальной тектоникой и интерпретирует их как скопления остатков погруженных океанических плит. Наконец, еще одна версия объясняет происхождение LLSVP проникновением в нижнюю мантию фрагментов гипотетической протопланеты Тейя, столкновение с которой Земля пережила вскоре после своего формирования, около 4,5 миллиарда лет назад. Эта гипотеза согласуется с данными о геохимическом сходстве происходящих из глубокой мантии базальтов океанических островов с лунными морскими базальтами. Однако реализация такого сценария требует соблюдения ряда физических и химических условий.
Чтобы проверить, отвечает ли гипотеза импактного источника LLSVP гидродинамическим и термохимическим критериям, Юань Цянь (Qian Yuan) из Университета штата Аризона совместно с американскими, британскими и китайскими коллегами провел численное моделирование процессов, вызванных столкновением. С помощью бессеточных (1, 2) методов исследователи описали поведение систем, содержащих как минимум на порядок больше условных частиц, чем в предшествующих моделях. Основой для моделирования послужили уточненные уравнения состояния, включающие экспериментальные ограничения на свойства форстерита Mg2SiO4 ― минерала из группы оливина, распространенного компонента ультраосновных магматических пород.
Включенная в расчеты гипотетическая масса ранней Земли достигала 90 процентов современной, а масса Тейи ― 12 процентов. Предполагалось, что угол падения Тейи составлял около 45 градусов. По результатам моделирования, уже примерно через 20 часов после такого столкновения земная мантия приобрела двухслойную структуру с границей на глубине 1300–1400 километров относительно современного радиуса Земли. В верхнем слое преобладали расплав и газы, а в нижнем ― твердое вещество. Около 0,01 массы Земли в этом нижнем слое приходилось на остатки мантии Тейи, и до 30 процентов их оставались в твердом состоянии и были плотно сгруппированы. Сгустки расплавленного мантийного вещества Тейи в верхнем слое также могли достаточно быстро (за время порядка тысячи лет для капли 50-километрового диаметра) кристаллизоваться и утонуть.
В большинстве сценариев импактного формирования Луны она преимущественно состоит из материала Тейи. Между тем, судя по составу лунных морских базальтов, мантия Луны обогащена оксидом железа (II) FeO: его массовая доля превышает десять процентов. Поэтому мантия Тейи также должна была содержать много FeO и, следовательно, была плотнее земной. Юань и его коллеги построили несколько моделей динамики фрагментов Тейи в мантии Земли, исходя из значений массовой концентрации в них FeO от 13 до 17 процентов. Такие расплавленные фрагменты превышали плотность вмещающего материала на 1,25—5процентов. Во всех случаях, за исключением минимальных значений плотности и размеров, они образовали под действием медленной мантийной конвекции протяженные скопления, подобные LLSVP. Результаты расчета скорости сдвиговых сейсмических волн в этих модельных образованиях согласуются с данными наблюдений: на один—пять процентов ниже, чем в окружающей мантии.
Общая расчетная масса остатков Тейи в крупных областях с низкой скоростью сдвига составляет от 1,4 до 2,6 процента массы Земли. Авторы исследования не исключают, что современные LLSVP могут представлять собой комбинацию этих реликтов и фрагментов погруженной океанической коры. Однако при этом вещество Тейи не перемешалось полностью с другими компонентами: об этом говорят изотопные аномалии в базальтах океанических островов, источники которых, по-видимому, располагаются в нижней мантии. Юань с коллегами указывают также, что на заключительной стадии формирования планет масштабные столкновения были распространенным явлением в молодой Солнечной системе, поэтому аналогичные структуры могут сохраниться и в мантии других планет.
Луна могла образоваться в пределах 110 миллионов лет после образования Солнечной системы
Планетологи благодаря зернам циркона из образца брекчии, добытой астронавтами «Аполлона-17», определили, что возраст древнейших фрагментов лунной коры на 40 миллионов лет старше, чем считалось ранее, а сама Луна возникла примерно в пределах 110 миллионов лет после образования Солнечной системы. Статья опубликована в журнале Geochemical Perspectives Letters. В настоящее время ведущей гипотезой формирования Луны считается теория мегаимпакта, предполагающая, что в прошлом объект размером с Марс столкнулся с растущей протоземлей, а из выброшенного вещества затем сформировался спутник, покрытый океаном магмы. Эта теория активно обсуждается и критикуется, для ее проверки необходимы более точные результаты датировки времени предполагаемого удара и начала кристаллизации океана магмы. Различные методы дают значения 4,47-4,52 миллиарда лет назад для момента формирования Луны и 4,417 миллиарда лет для нижнего предела кристаллизации магмы. Группа планетологов во главе с Дженникой Грир (Jennika Greer) из Университета Глазго опубликовала результаты исследований одного из зерен кристаллов циркона из образца норита 72255 Civet Cat, доставленного на Землю астронавтами «Аполлона-17». Исследователи использовали атомно-зондовую томографию и времяпролетную масс-спектрометрию с наномасштабным пространственным разрешением, чтобы оценить пространственное распределение свинца в зерне и проверить его предыдущую оценку возраста при помощи уран-свинцового метода. Ученые определили, что в наиболее древней области зерна нет признаков наномасштабной кластеризации свинца, а наблюдаемые неоднородности никак не связаны с перемешиванием нанокластеров. Таким образом, ранее полученная для кристаллов циркона из породы оценка возраста в 4460±31 миллионов лет соответствует времени его кристаллизации, что делает их самыми старыми из известных лунных цирконов. Эти результаты говорят о том, что возраст первой сохранившейся лунной коры на 40 миллионов лет больше, чем считалось ранее, а дифференциация ядра и мантии Луны произошла примерно через 50 миллионов лет после образования Солнечной системы. Кроме того, минимальный возраст формирования Луны оценивается в пределах 110 миллионов лет после образования Солнечной системы, между 4,51 и 4,46 миллиарда лет назад. Ранее мы рассказывали о том, как рождение Луны «перевернуло» Землю.