Когда Тейя столкнулась с Землей, это помогло создать условия для появления жизни

Как Земля, единственная среди каменистых планет Солнечной системы, стала домом для жизни? Часть ответа на этот вопрос дает космохимия — междисциплинарная область, изучающая распределение химических элементов.

Около 4,5 миллиардов лет назад Солнечная система была хаотичным местом, где формирующиеся планеты, планетезимали и планетарные зародыши сталкивались друг с другом. Исследования показывают, что от 5% до 10% массы Земли поступило от углистых хондритов (carbonaceous chondrites, CC), врезавшихся в молодую планету. Значительная часть этого материала могла быть доставлена ударником Тейя, столкновение с которым привело к образованию Луны.

Группа исследователей использовала динамическое моделирование формирования Солнечной системы, чтобы проверить эту идею. Исследование под названием «Dynamical origin of Theia, the last giant impactor on Earth» (ведущий автор — Дуарте Бранко) будет опубликовано в журнале Icarus и доступно на сервере препринтов arXiv.

Ключевое различие: CC и NC

В космохимии существует важное различие между углистыми хондритами (CC) и неуглистыми метеоритами (non‑carbonaceous, NC). CC сформировались дальше от Солнца, вероятно, за орбитой Юпитера, и несут больше летучих веществ, таких как вода и органические соединения. NC содержат меньше летучих компонентов.

Методология моделирования

Исследователи провели N‑body симуляции поздних стадий роста планет земной группы. Моделирование началось после рассеяния газового диска Солнечной системы. Доступная твердая масса была разделена на планетезимали и планетарные зародыши (эмбрионы). Симуляции включали CC, рассеянные внутрь системы в процессе роста Юпитера и Сатурна.

Было проведено три типа симуляций:

  1. «Только мелкие» — только мелкие CC-объекты (планетезимали).
  2. «Только крупные» — только крупные CC-объекты (планетарные эмбрионы).
  3. «Смешанный сценарий» — включал и планетезимали, и эмбрионы CC.

Для части симуляций также учитывалось влияние динамической нестабильности гигантских планет (модель Ниццы), описывающей смещение их орбит.

Результаты и выводы

  • Роль нестабильности гигантских планет: Смещение орбиты Юпитера оказало существенное влияние на аккрецию CC-материала Землей. Динамическая нестабильность вызвала всплеск эксцентриситета орбит, что привело к волне столкновений и выбросов.
  • Происхождение Тейи: В смешанном сценарии без учета нестабильности гигантских планет последний ударник Земли (Тейя) содержал CC-компонент более чем в половине симуляций. В 38,5% случаев Тейя была чистым CC-эмбрионом, а в 13,5% — NC-эмбрионом, который ранее аккрецировал CC-эмбрион.
  • Картина ранней Солнечной системы: Моделирование рисует картину, где существовало два distinct кольца планетезималей: внутреннее из каменистых (NC) и внешнее из углистых (CC). Поздняя миграция ледяных гигантов направила CC-материал во внутреннюю часть системы. Часть его была захвачена в пояс астероидов, а более массивные объекты попали на орбиты каменистых планет.
  • Объяснение различий Земли и Марса: Этот сценарий объясняет разную массовую долю CC на Земле и Марсе. Если бы CC-материал поступал только в виде мелких планетезималей («только мелкие» сценарий), его доля на обеих планетах была бы примерно одинаковой. Моделирование же показывает, что массивные CC-эмбрионы эффективнее доставлялись к Земле.
  • Временные рамки: Последнее гигантское столкновение (с Тейей) произошло через 5–150 миллионов лет после рассеяния газа, причем значительная часть — в интервале 20–70 миллионов лет.
  • Роль Юпитера: Юпитер не только ограничивает пояс астероидов, но и сыграл ключевую роль в определении конечного состава планет земной группы, рассеивая CC-материал из внешней Солнечной системы на пути каменистых планет, особенно Земли.

Итог: Моделирование подтверждает, что Тейя могла быть последним крупным ударником Земли и содержала значительное количество CC-материала, включая летучие вещества, что способствовало обитаемости нашей планеты. Это указывает на сложный путь становления Земли, где важную роль сыграла динамика внешних планет-гигантов.