Podivné kapky v hlubokém plášti jsou pozůstatky starověké planety

Studie Kalifornského technologického institutu naznačuje, že dvě masivní struktury bohaté na železo hluboko v zemském plášti jsou pozůstatky Theie, starověké planety, která se srazila se Zemí a vytvořila také Měsíc. Tento objev odpovídá na dlouholeté otázky o původu Měsíce a osudu Theie.

V 80. letech 20. století geofyzici učinili překvapivý objev: dvě kuličky neobvyklých materiálů o velikosti kontinentu byly nalezeny hluboko ve středu Země, jedna pod africkým kontinentem a jedna pod Tichým oceánem. Každá tečka je přibližně dvakrát větší než Měsíc a je pravděpodobně složena z různých poměrů prvků ve srovnání s okolním pláštěm.

Velké, nízkorychlostní okresní aktiva

Odkud se vzaly tyto podivné kuličky – oficiálně známé jako velké nízké provincie (LLVP)? Nová studie vědců z Kalifornského technologického institutu naznačuje, že jde o pozůstatky starověké planety, která se před miliardami let násilně srazila se Zemí při stejném obřím dopadu, který dal vzniknout našemu Měsíci.

Studie byla publikována v časopise Příroda 1. listopadu také navrhuje odpověď na další záhadu planetární vědy. Výzkumníci dlouho předpokládali, že Měsíc vznikl po obří srážce mezi Zemí a menší planetou jménem Theia, ale v pásu asteroidů ani v meteoritech nebyly nalezeny žádné stopy po Theii. Tato nová studie naznačuje, že většina Theie byla absorbována do mladé Země a vytvořila LLVP, zatímco trosky zbylé po srážce byly absorbovány do Měsíce.

Vizualizace Země s velkými „bloby“ husté hmoty v blízkosti zemského jádra. Tyto body byly objeveny v 80. letech 20. století. Nyní vědci naznačují, že jde ve skutečnosti o pozůstatky starověké planety Theia, která se srazila se Zemí a vytvořila Měsíc. Kredit: Edward Garnero

Metodologie a výsledky výzkumu

Výzkum řídil Qian Yuan, postdoktorandský vědecký pracovník Oakey Earle v laboratořích Paula Asima (MS ’93, PhD ’97), profesora geologie a geochemie Eleanor a Johna R. MacMillana; a Michael Jorness, profesor geofyziky John E. a Hazel S. Smits a vedoucí katedry Clarence R. Allena, ředitel seismické laboratoře Caltech a ředitel Schmidtovy akademie softwarového inženýrství na Caltechu.

Vědci poprvé objevili LLVP měřením seismických vln procházejících Zemí. Seismické vlny se šíří různými rychlostmi různými materiály a v 80. letech se objevily první náznaky rozsáhlých trojrozměrných variací hluboko ve struktuře Země. V hlubším plášti vzoru seismických vln dominují podpisy dvou velkých struktur poblíž zemského jádra, o kterých se výzkumníci domnívají, že mají neobvykle vysokou hladinu železa. Tento vysoký obsah železa znamená, že oblasti jsou hustší než jejich okolí, což způsobuje zpomalení seismických vln, které jimi procházejí, což vede k názvu „velké provincie s nízkou rychlostí“.

Yuan, vystudovaný geofyzik, se v roce 2019 účastnil sympozia o formování planet pořádaného Michailem Zolotovem, profesorem na Arizonské státní univerzitě. Zolotov představil hypotézu obřího dopadu, zatímco Qian poukázal na to, že Měsíc je relativně bohatý na železo. Zolotov dodal, že se nenašly žádné stopy po vozidle, které se jistě srazilo se zemí.

„Hned poté, co Michael řekl, že nikdo neví, kde je impaktní objekt nyní, jsem měl ‚heureka moment‘ a uvědomil jsem si, že železem bohatý impaktní objekt mohl být přeměněn na kuličky pláště,“ říká Yuan.

Detailní simulace dopadu Theii na Zemi. Ačkoli dopad byl prudký, nebyl dostatečně silný, aby roztavil spodní zemský plášť, což znamená, že zbytky Theie mohly být zachovány, spíše než homogenně smíchány se zemským materiálem. Kredit: Hong Bing Ding

Yuan spolupracoval s mezioborovými spolupracovníky na modelování různých scénářů chemického složení Theia a jeho dopadu na Zemi. Simulace potvrdily, že fyzika srážky by mohla vést ke vzniku jak LLVP, tak Měsíce. Je možné, že část Theiina pláště byla začleněna do zemského pláště, kde se nakonec spojila a vykrystalizovala dohromady, aby vytvořila dvě odlišné kapky, které lze dnes detekovat na hranici pláště a jádra; Ostatní úlomky ze srážky se smíchaly a vytvořily Měsíc.

Důsledky a budoucí výzkum

Proč se vzhledem k tomuto prudkému dopadu materiál Theie shromažďoval na dvou odlišných místech, místo aby se mísil se zbytkem formující se planety? Simulace vědců ukázaly, že velká část energie z dopadu Theie zůstala v horní polovině pláště, takže spodní plášť Země byl chladnější, než odhadovaly předchozí modely dopadu s nízkým rozlišením. Protože spodní plášť nebyl nárazem zcela roztaven, zůstaly kuličky materiálu bohatého na železo z Theie z velké části nedotčené, když se proséval k základně pláště, jako barevné shluky parafínového vosku ve zhasnuté lávové lampě. Kdyby byl spodní plášť žhavější (to znamená, že při srážce dostal více energie), lépe by se promíchal s materiály bohatými na železo, jako jsou barvy v květináči s barvou.

Dalším krokem je studium toho, jak raná přítomnost heterogenního materiálu Theia hluboko v Zemi ovlivnila vnitřní procesy naší planety, jako je tektonika desek.

„Logickým důsledkem myšlenky, že LLVP jsou pozůstatky Theie, je, že jsou velmi staré,“ říká Asimov. „Dává tedy smysl studovat, jaké důsledky měly na raný vývoj Země, jako je počátek subdukce předtím, než se podmínky staly vhodnými pro moderní deskovou tektoniku, vznik prvních kontinentů a vznik nejstarších tektonických desek. Přežití zemských minerálů.“

Nový výzkum odpovídá na dvě dlouhotrvající záhady planetární vědy: Co jsou to obří, tajemné „bloby“ materiálu poblíž zemského jádra a co se stalo s planetou, která se srazila se Zemí, aby vytvořila Měsíc? Nová studie Kalifornského technologického institutu naznačuje, že zbytky této starověké planety stále existují na Zemi, což vysvětluje původ „kuliček“ poblíž hranice jádra a pláště.

Odkaz: „Srážka při vzniku Měsíce jako zdroj anomálie bazálního pláště Země“ od Qian Yuan, Mingming Li a Stephen J. Desch, Byung-Kwan Koo, Hongpeng Deng a Edward J. Garnero, Travis S.J. Gabriel a Jacob A. , Vincent Ecke a Paul D. Asimov, 32. října 2023, Příroda.
doi: 10.1038/s41586-023-06589-1

Qian Yuan je prvním autorem. Kromě Yuana a Asima je dalším spoluautorem na Caltechu Yoshinori Miyazaki, postdoktorandský výzkumník Stanback zapojený do komparativní planetární evoluce. Dalšími spoluautory jsou Mingming Li, Stephen Desch a Edward Garnero (PhD ’94) z Arizona State University (ASU); Byungkwan Ko z Arizona State University a Michigan State University; Hongping Ding z Čínské akademie věd; Travis Gabriel z USGS; Jacob Kegeris NASAAmes Research Center; a Vincent Ecke z Durhamské univerzity. Financování poskytla National Science Foundation, Aoki Earle Postdoctoral Fellowship na Caltech, USGS, NASA a Caltech Center for Comparative Planetary Evolution.