Ett av de grundläggande problemen i planetvetenskapen är att försöka bestämma hur planetkroppar i det inre solsystemet bildade och utvecklades. En ny datormodell antyder att enorma föremål - några så stora som stora Kuiper Belt-objekt som Pluto och Eris - troligen pummelade jorden, månen och Mars under de sena stadierna av planetbildning, vilket förde tungmetaller till planetytorna. Denna modell - skapad av olika forskare från hela NASA Lunar Science Institute - adresserar förvånansvärt många olika pussel över solsystemet, till exempel hur jorden kunde behålla metallälskande, element som guld och platina som finns i dess mantel, hur interiören i Månen kan faktiskt vara våt och den konstiga fördelningen i storleken på asteroider.
"De flesta bevisen på vad som hände under de sena stadierna av planetbildning har raderats över tid," sade Bill Bottke från Southwest Research Institute, som ledde forskarteamet. "Spåret som vi har spårat på dessa världar är ganska kallt och att kunna gräva mer information ur vad vi har och kunna svara på några långvariga problem är ganska spännande."
Bottke berättade för Space Magazine att berättelsen som den här nya modellen berättar "inte är så komplicerad som den ser ut vid första anblicken", sade han. "Det innehåller många koncept tillsammans, och några av koncepten har faktiskt funnits en stund."
Bottke och hans team har publicerat sina resultat i tidskriften Vetenskap.
Forskarna började med den allmänt accepterade teorin om hur vår måne skapades av en jättepåverkan mellan den tidiga jorden och en annan Mars-stor planetkropp. "Detta var den mest traumatiska händelsen som jorden antagligen någonsin har gått igenom, och det var tiden då antagligen jorden och månen båda bildade sina kärnor," sa Bottke.
Det tunga järnet föll i mitten av de två kropparna, och så kallade starkt siderofila, eller metallälskande, element som rhenium, osmium platina, palladium och guld borde ha följt järnet och andra metaller till kärnan i efterhand av den månbildande händelsen och lämnar de steniga skorporna och mantlarna i dessa kroppar ogiltiga för dessa element.
"Dessa element älskar att följa metallen," sa Bottke, "så om metallen tappar till kärnan skulle dessa element tappa av med dem. Så om detta är rätt, vad vi kan förvänta oss att stenar härrörande från vår mantel borde ha nästan inga starkt siderofila element, kanske 10 till minus 5: e nivå eller så. Men förvånansvärt är det inte det vi ser. De är bara mindre rikliga med en faktor mindre än 200, jämfört med vad vi kan förvänta oss, en faktor på 100 000 eller så. "
Bottke sa att det här problemet har diskuterats sedan 1970-talet, med olika förslag på hur man kan svara på problemet.
”Det mest livskraftiga svaret är att efter det att den månbildande påverkan ägde rum fanns det också andra saker som träffade jorden under de sena stadierna av planetbildning, objekt som var mindre och dessa mindre föremål fyllde upp dessa element och gav oss det överflöd vi se idag. Detta är vad vi kallar för sen tillträde, ”sade han.
På månen hände samma sak. Men det var ett problem med detta scenario. Förhållandet mellan dessa element på jorden jämfört med stenar på månen är cirka 1000 till 1.
”Jordens gravitationsavsnitt är ungefär 20 gånger månens,” sa Bottke, ”Så för varje objekt som träffade månen borde cirka tjugo ha träffat jorden. Och om sen tillträde levererade dessa element, bör du ha ett 20 till 1-förhållande. Men det är inte vad vi ser - vi ser ett förhållande mellan 1000 och 1. ”
Bottke - en planetarisk dynamacist - diskuterade detta med kollega David Nesvorny, även från SWRI, samt geofysiskt-geokemiska modellerare, som Richard Walker från University of Maryland, James Day från University of Maryland, och Linda Elkins-Tanton från University of Maryland Massachusetts Institute of Technology.
De kom med en datormodell som tycktes ge svar.
"Genom att spela roulette med dessa föremål såg jag att jorden ofta drabbades av enorma stötar som månen aldrig skulle se," sa Bottke. "Detta resultat tyder på att de saker som träffade jorden och månen i slutet av planetbildningsperioden dominerades av mycket stora föremål."
Modellen förutspådde att den största av de sena påverkarna på jorden, med 2.400 - 3.200 km (1.500-2.000 mil) i diameter, medan de för månen, cirka 240 - 320 km.
Bottke kallade det för ett "söt" resultat - men de behövde mer stödjande bevis. Så de tittade på den sista överlevande befolkningen av de saker som byggde planeterna, det inre asteroidbältet. "Du hittar stora asteroider som Ceres, Vesta och Pallas" sa Bottke, så det finns de stora på 500 till 900 km, men då är dina näst största asteroider bara cirka 250 km. Detta matchade med storleken som vår modell kom med, ”där inga asteroider med” mellan ”storlekar observeras i detta område.
Därefter tittade de på Mars, som har några mycket stora påverkningsbassänger som troligen finns kvar från de dagar då planeten bildades, inklusive Borealisbassängen, som är så stor att det troligtvis står för skillnaderna i den norra och södra halvkärnan på den röda planeten.
”Vi såg och projicerade storleken på de slag som skulle ha skapat dessa slagbassänger och vi såg att fördelningen av storlekarna var väldigt likt vad som förutses för jorden och månen, och även vad som finns i det inre asteroidbältet.
Så alla dessa saker tillsammans - den teoretiska grunden, observationsbeviset från element på jorden och månen och påverkan på Mars säger kollektivt något om fördelningen av föremålstorlekar mot slutet av planetbildning.
Och vad är konsekvenserna?
"Vi kunde göra förutsägelser för vad som träffade Jorden, Månen och Mars vid den tiden, och de stämmer överens med vad vi ser på ytorna," sa Bottke. "På Mars kan vi spela ett spel om vad som är de största projektilerna som borde ha träffat Mars, och det matchar bra med storleken på det stora bassängen som bildades på Mars och producerade också de överflöd av element vi ser där."
"För månen skulle de största påverkarna vara 250-300 km, vilket är ungefär storleken på sydpolen Aiken-bassängen," fortsatte Bottke. "För jorden förklarar dessa stora påverkare varför några av dessa påverkningar lyckades träffa jorden och inte alla element gick till jordens kärna."
Bottke sade att några av de största effekterna som faktiskt kan ha plöjt igenom jorden och till följd av komplikationerna kom faktiskt ut på andra sidan - i ett mycket fragmenterat tillstånd - och regnade ner på jorden. "Om detta är sant, ger detta ett sätt att sprida fragment hela jorden," sade han, "men hur skräpet återfördelas runt planetkroppen är en riktigt intressant fråga. Den delen behöver mycket mer arbete och är helt enkelt i utkanten av vad vi kan göra numeriskt. ”
När det gäller vatten på Månens inre - som en gång tycktes vara torrt, men de senaste provmätningarna tyder dock på att vatteninnehållet i månmanteln är mellan 200 och flera tusen delar per miljard - kan Bottkes modell också ta itu med detta problem.
"Om det är sant", skriver teamet i sitt uppsats, "är det möjligt att samma projektil som levererade de flesta av Månens HSE: er också kan ha försett den med vatten .... Sen tillträde ger en alternativ förklaring i fall månmantelvatten inte kan migrera från jorden efter gigantiska påverkan till en växande måne genom en varm och i stort sett förångad protolunarskiva. ”
När det gäller varför mindre projektiler träffade månen jämfört med jorden, sa Bottke att det bara är ett siffrespel. "Vi börjar med en befolkning som har ett visst antal stora saker, medelstora saker och små saker," sade han. ”Och vi väljer slumpmässigt projektiler från den befolkningen och för varje stor kille som träffar månen, slog 20 jorden. Och vi spelar det spelet, och om antalet projektiler är begränsat, om månen bara träffas en eller två gånger från denna befolkning, betyder det att jorden blir träffad 20-30 gånger, det är tillräckligt för att ge oss - vid de flesta tillfällen - vad vi ser. ”
Bottke sa att denna forskning gav honom en chans att arbeta med geokemister, ”som har alla slags intressanta saker att säga som hjälper till att begränsa de processer som åstadkom planetbildning. Problemet är att de ibland har bra information men att de inte har en dynamisk process som kan fungera. Så genom att arbeta tillsammans tror jag att vi kunde komma med några intressanta resultat. ”
"Det mest spännande för mig är att vi ska kunna använda dessa överflöd som vi har på jorden, månen och Mars för att verkligen berätta historien om planetbildning," sa Bottke.
Källor: Vetenskap, telefonintervju med Bottke
