Ziemia i Mars powstały obok siebie około 4,5 miliarda lat temu, ale ich droga do obecnej postaci mogła wyglądać zupełnie inaczej. Nowa analiza składu chemicznego obu planet wskazuje, że Ziemia rosła głównie dzięki protoplanetom zbudowanym z drobnych cząstek, podczas gdy Mars zawdzięcza większość swojej materii większym skalistym ciałom.
- Ziemia i Mars powstały w tej samej części młodego Układu Słonecznego. Ich historia mogła jednak wyglądać zupełnie inaczej.
- Naukowcy przeanalizowali skład obu planet, szukając śladów z czasów ich powstawania.
- Kluczowe okazały się pierwiastki, które stosunkowo łatwo tracą się w wysokich temperaturach.
- Badacze porównali dwa główne scenariusze wzrostu młodych planet. Wynik wskazał na wyraźną różnicę.
- Ustalenia mogą mieć znaczenie nie tylko dla historii Ziemi i Marsa, ale także dla poszukiwania warunków sprzyjających życiu poza Układem Słonecznym.
Ziemia i Mars powstały inaczej. Naukowcy odczytali to z ich składu
Ziemia i Mars narodziły się w tej samej części młodego Układu Słonecznego około 4,5 miliarda lat temu. Mimo wspólnego początku ich drogi do obecnej postaci mogły wyglądać zupełnie inaczej. Nowa analiza składu chemicznego obu planet wskazuje, że w przypadku Ziemi kluczową rolę odgrywały protoplanety rosnące dzięki pochłanianiu drobnych cząstek, podczas gdy Mars miał powstawać przede wszystkim z większych skalistych ciał.
Wyniki badania opublikowanego w Nature Astronomy wspierają tzw. hybrydowy model formowania planet. Zakłada on, że przy narodzinach planet skalistych znaczenie mogły mieć jednocześnie dwa procesy: akrecja niewielkich cząstek oraz zderzenia z większymi obiektami.
Ich wspólne pochodzenie nie oznacza wspólnej historii
Ziemia i Mars należą do planet skalistych wewnętrznego Układu Słonecznego. Powstały z materiału znajdującego się w tym samym dysku gazu i pyłu, ale właśnie podobieństwo warunków początkowych rodzi pytanie, dlaczego ich późniejszy rozwój miałby przebiegać inaczej.
Naukowcy od dawna rozważają dwa podstawowe mechanizmy wzrostu młodych planet. Jeden zakłada, że rosnące protoplanety przechwytują niewielkie cząstki, tzw. otoczaki (pebbles), mające od około milimetra do centymetra. Drugi opiera się przede wszystkim na zderzeniach z planetozymalami, czyli znacznie większymi ciałami skalistymi.
Badacze z Uniwersytetu Kopenhaskiego postanowili sprawdzić, czy śladów tych procesów można szukać w obecnym składzie chemicznym Ziemi i Marsa.
Ślady zostały w skałach
Kluczem okazały się pierwiastki umiarkowanie lotne. W skalistych częściach Ziemi i Marsa jest ich mniej, niż można byłoby oczekiwać na podstawie składu materiału, z którego powstał Układ Słoneczny.
To ważna wskazówka. Pierwiastki takie jak sód, potas czy cynk łatwiej tracą się w wysokiej temperaturze niż podstawowe składniki skał. Ich obecna zawartość może więc być swego rodzaju zapisem warunków, w których formowała się planeta.
Zespół kierowany przez Haiyanga S. Wanga wykorzystał tę właściwość do porównania różnych scenariuszy narodzin obu światów. Naukowcy analizowali skład krzemianowej części Ziemi i Marsa, czyli ich skalistej materii z pominięciem metalicznych jąder. Następnie sprawdzali, jakie połączenie dwóch sposobów akrecji najlepiej odpowiada obserwowanym proporcjom pierwiastków.
Ziemia powstała przede wszystkim z protoplanet
Modelowanie przyniosło wyraźny wynik w przypadku naszej planety. Najlepsze dopasowanie uzyskano dla scenariusza, w którym co najmniej około 75 proc. materiału krzemianowej Ziemi pochodzi z dwóch protoplanet wcześniej rosnących dzięki akrecji otoczaków.
Pozostała część mogła zostać dostarczona przez większe ciała. W podstawowym modelu udział planetozymali o składzie zbliżonym do materiału asteroidy Westa wynosił do około 25 proc.
Nie oznacza to jednak, że naukowcy „zmierzyli” dokładny skład młodej Ziemi. Proporcje są rezultatem wnioskowania statystycznego. Zespół wykorzystał analizę bayesowską, aby sprawdzić, które kombinacje różnych składników najlepiej odtwarzają obserwowany skład chemiczny planety.
To rozróżnienie jest istotne, ponieważ wynik zależy również od założeń dotyczących składu pierwotnych planetozymali i tego, w jakim stopniu traciły one pierwiastki lotne.
Mars pokazuje niemal odwrotny obraz
W przypadku Marsa proporcje wyglądają zupełnie inaczej.
Według najlepiej dopasowanego modelu około 73 ± 5 proc. materiału jego skalistej części pochodziło z planetozymali podobnych pod względem składu do Westy. Udział materiału związanego z akrecją otoczaków wynosi około 27 ± 5 proc.
Oznacza to, że dwa sąsiednie światy mogły zostać zbudowane przy wykorzystaniu tych samych podstawowych mechanizmów, ale w zupełnie innych proporcjach. Ziemia była silniej związana z wcześniejszym wzrostem protoplanet poprzez akrecję drobnych cząstek, natomiast w przypadku Marsa większe znaczenie miały planetozymale.
Profesor Anders Johansen z Uniwersytetu Kopenhaskiego zwraca uwagę właśnie na ten kontrast.
Najbardziej zaskakującym wynikiem było to, że Ziemia i Mars najwyraźniej powstały w różny sposób. Można by się spodziewać, że dwie planety, które powstały obok siebie w tym samym Układzie Słonecznym, będą miały bardziej podobną historię powstania – mówi prof. Anders Johansen.
Naukowcy zastrzegają: procenty nie są wyryte w kamieniu
Choć liczby 75 proc. i 73 proc. robią wrażenie, nie należy traktować ich jako bezpośredniej rekonstrukcji pierwszych etapów historii planet.
Badanie pokazuje przede wszystkim, jaki skład mieszaniny najlepiej pasuje do danych chemicznych przy określonych założeniach modelu. Jednym z ważniejszych jest przyjęcie, że wczesne planetozymale były pod względem utraty pierwiastków lotnych podobne do materiału, który znamy z Westy.
Autorzy sprawdzili także inne warianty. Przy założeniu innego przebiegu zubożenia w pierwiastki lotne udział planetozymali w budowie Ziemi mógłby być wyższy. Taki wariant nie odpowiada jednak wzorcom obserwowanym w znanych macierzystych ciałach meteorytów. Co ważne, nawet przy zmianie założeń ogólny kontrast między Ziemią a Marsem pozostawał widoczny.
Haiyang S. Wang podkreśla, że chodzi więc bardziej o rozpoznanie różnych dróg powstawania niż o przypisanie planetom jednej, absolutnie dokładnej receptury.
Dlaczego w ogóle ma znaczenie to, z czego zbudowano planety?
Skład chemiczny młodej planety może mieć znaczenie znacznie wykraczające poza historię jej narodzin. Jednym z powodów jest woda.
Pierwiastki lotne mogą być tracone podczas procesów zachodzących w czasie wzrostu planet. Jeżeli uda się lepiej zrozumieć, kiedy i w jaki sposób do takich strat dochodziło, można będzie również lepiej określić, ile wody oraz innych związków pozostało na planecie po zakończeniu jej formowania.
To właśnie dlatego autorzy widzą w swojej metodzie potencjalne zastosowanie także poza Układem Słonecznym. Skład chemiczny skalistych egzoplanet może w przyszłości dostarczać informacji o ich historii akrecji, a pośrednio również o warunkach, które panowały na nich we wczesnych etapach rozwoju.
– Jeśli zrozumiemy, w jaki sposób planety tracą lotne pierwiastki w trakcie swojego powstawania, będziemy mogli lepiej przewidywać, ile wody i innych substancji ważnych dla życia ostatecznie zachowają – mówi Anders Johansen.