Когда происходила древняя бомбардировка тел солнечной системы кратко

Обновлено: 05.07.2024

Астрофизики установили, что поздняя тяжелая бомбардировка продолжалась как минимум на 600 миллионов лет дольше, чем считалось до сих пор. Сразу две статьи, посвященные этому вопросу, появились в журнале Nature (1 и 2), а их краткое изложение приводит Nature News.

Поздняя тяжелая бомбардировка - период в истории Солнечной системы (с 4,1 миллиарда лет назад по 3,8 миллиарда лет назад) , когда на каменистые планеты выпало огромное количество метеоритных осадков. В рамках первой работы ученые из США предложили способ оценки интенсивности осадков. При столкновении метеорит испаряет массу, примерно равную собственной. После удара раскаленная материя конденсируется в воздухе с образованием так называемых сферул - небольших шариков застывшей материи.

Эти шарики выпадают на Землю в виде осадков. По расчетам ученых, если диаметр упавшего тела был достаточно большой - свыше 10 километров, - то сферулы должны были оседать по всей планете. Таким образом, анализируя древние отложения на наличие таких шариков, ученые могут определить, падали ли в то время на Землю крупные метеориты, а также оценить массу и скорость этих небесных тел (последние два параметра сказываются на количестве и строение сферул). Проведя анализ древних отложений, ученые установили, что поздняя тяжелая бомбардировка закончилась не 3,8 миллиарда лет назад, а 3,2 миллиарда лет назад.

Во второй работе ученые проанализировали астрономические причины "продолжения" бомбардировки. Согласно современным представлениям, она была вызвана изменением орбит Юпитера и Сатурна после формирования Нептуна и Урана. В рамках второй работы, опубликованной в Nature, ученые предположили, что пояс астероидов в прошлом начинался на расстоянии 1,7 астрономической единицы от Солнца вместо сегодняшних 2,1 астрономической единицы (астрономическая единица равна среднему расстоянию от Солнца до Земли).

В результате гравитационного воздействия со стороны планет-гигантов астероиды на границе пояса перешли на орбиты с большим наклонением. Как следствие, они сталкивались с каменистыми планетами Солнечной системы позже, чем другие небесные тела. По словам ученых, некоторые из этих тел продолжали падать на Землю вплоть до 2 миллиардов лет назад.

В ноябре 2011 года в Nature появилась статья, авторы которой с помощью поздней тяжелой бомбардировки смогли объяснить существование у Луны магнитного поля в прошлом. Следы этого были обнаружены еще в образцах, собранных "Аполлонами", однако до последнего времени ученые не могут прийти к согласию о том, как это получилось. По одному из сценариев существование поля поддерживалось поздней тяжелой бомбардировкой.

Поздняя тяжёлая бомбардировка Земли 3,8–3,9 миллиарда лет назад была бы невозможна без миграции Юпитера и Сатурна через Солнечную систему, считают американские учёные.

Фото: © East News

Астрономы из США и Бразилии провели расчёты того, как именно протекала поздняя тяжёлая бомбардировка Земли 3,8–3,9 миллиарда лет назад. Они пришли к выводу, что такое событие было бы невозможно без миграции гигантских планет через Солнечную систему. Кроме того, их вычисления указывают на то, что большинство падавших тогда на планету тел были кометами, а не астероидами. Соответствующая статья готовится к публикации в The Astronomical Journal, а с её текстом можно ознакомиться на сервере препринтов Корнелльского университета.

Исследователи планировали использовать моделирование процессов соударения комет и астероидов с Землёй и Луной, чтобы вычислить точные сроки и конкретные процессы поздней тяжёлой бомбардировки. Однако при моделировании оказалось, что сроки таким образом вычислить практически нельзя. В моделях через три миллиарда лет эволюции Солнечной системы все детали первого миллиарда настолько "стирались" более поздними хаотичными процессами, что точные даты ранних событий оказывалось невозможно установить.

Зато моделирование показало нечто неожиданное о том, как именно эти процессы шли. Выяснилось, что поздняя тяжёлая бомбардировка была практически невозможна в спокойной системе. Только когда авторы включили в модель "великую миграцию" Юпитера и Сатурна до орбиты Марса и обратно, их модель показала чёткий аналог поздней тяжёлой бомбардировки. Началась она потому, что многие кометы и астероиды при резких изменениях действующей на них гравитации гигантских планет выбросило со стабильных орбит. Часть из них получила орбиту ближе к Солнцу, по пути к нему сталкиваясь с Венерой, Землёй и Марсом. Небольшая их часть ударила и в поверхность Луны, что совпадает с датировкой её крупнейших кратеров. Они имеют тот же возраст, что и поздняя бомбардировка.

Интересной оказалась одна черта модели: в ней большинство тел, упавших на Землю, было не астероидами, а кометами. Дело в том, что до начала миграции Юпитера и Сатурна в 20–30 астрономических единицах от Солнца был мощный кометный пояс. Только тел крупнее 10 километров в диаметре там было около трёх миллиардов. Из них примерно 1500 должны были упасть на Землю за довольно сжатые сроки 3,8–3,9 миллиарда лет назад. Как показало моделирование, астероиды за то же время сталкивались с нашей планетой в несколько раз реже.

Авторы работы отмечают, что их выводы расходятся с имеющейся геохимической картиной, согласно которой вода и другие лёгкие соединения на Земле и в кометах существенно отличаются по изотопному составу. Однако, полагают учёные, это может объясняться тем, что содержимое комет тонуло в мантии и не оказало влияния на состав веществ на поверхности. На Земле сейчас нет коры возрастом 3,8 миллиарда лет и более, а именно тогда и случилась поздняя тяжёлая бомбардировка.

Связано это с тем, что серия падений тел крупнее 10 километров в диаметре на время расплавляет твёрдую кору. Энергия падения каждого такого тела существенно выше, чем мощность всех ядерных и прочих арсеналов, накопленных на сегодня человечеством. Соответственно, земная кора вернулась в нормальное, твёрдое состояние только после того, как прекратили массово падать кометы. Тогда отсутствие химических следов комет на поверхности вполне объяснимо.

В Поздняя тяжелая бомбардировка (LHB), или же лунный катаклизм, это предполагаемое событие, которое, как полагают, произошло примерно от 4,1 до 3,8 миллиарда годы (Ga) назад, [1] во время, соответствующее Неохадийцы и Эоархейский эпох на Земле. В течение этого интервала непропорционально большое количество астероиды теоретически столкнулись с ранними планеты земной группы во внутреннем Солнечная система, включая Меркурий, Венера, земной шар и Марс. [2] С 2018 года существование поздней тяжелой бомбардировки ставится под сомнение. [3]

Доказательства существования LHB получены из лунных образцов, доставленных Аполлон космонавты. Изотопные датировки из Луна пород означает, что большинство ударных расплавов произошло за довольно узкий промежуток времени. Несколько гипотез пытаются объяснить очевидный всплеск потока ударников (т.е. астероиды и кометы) во внутренней Солнечной системе, но консенсуса пока нет. В Хорошая модель, популярный среди планетологи, постулирует, что планеты-гиганты прошел орбитальная миграция и при этом разбросанные предметы в астероид и / или Ремни Койпера на эксцентрические орбиты и на путь планет земной группы. Другие исследователи утверждают, что данные лунных образцов не требуют катастрофического кратера около 3,9 млрд лет, и что очевидная группировка возрастов ударного расплавления около этого времени является артефактом отбора проб материалов, извлеченных из одного большого ударного бассейна. [1] Они также отмечают, что скорость образования кратеров может значительно различаться между внешней и внутренней зонами Солнечной системы. [4]

Содержание

Свидетельства катаклизма

Основное свидетельство лунного катаклизма исходит от радиометрический возраст горных пород ударного расплава, которые были собраны во время миссий Аполлон. Считается, что большинство этих ударных расплавов образовалось во время столкновения астероидов или комет размером в десятки километров, образуя ударные кратеры диаметром в сотни километров. В Аполлон 15, 16, и 17 места посадки были выбраны из-за их близости к Imbrium, Нектарис, и Serenitatis бассейны соответственно.

Дата Говардит, эвкрит и диогенит (HED) метеориты и H хондрит метеориты, происходящие из пояса астероидов, показывают многочисленные возрасты от 3,4 до 4,1 млрд лет и более ранний пик на уровне 4,5 млрд лет. Возраст от 3,4 до 4,1 млрд лет был интерпретирован как представляющий увеличение скоростей столкновений, поскольку компьютерное моделирование с использованием гидрокода [ требуется разъяснение ] показывают, что объем ударного расплава увеличивается в 100–1000 раз по мере увеличения скорости удара от текущего среднего значения пояса астероидов с 5 км / с до 10 км / с. Скорости удара выше 10 км / с требуют очень больших наклонов или больших эксцентриситетов астероидов на орбитах, пересекающих планеты. Такие объекты редко встречаются в нынешнем поясе астероидов, но население может значительно увеличиться из-за смещения резонансов из-за миграции гигантских планет. [8]

Исследования распределения размеров кратеров в высокогорье показывают, что одно и то же семейство снарядов поразило Меркурий и Луну во время поздней тяжелой бомбардировки. [9] Если история распада поздней тяжелой бомбардировки Меркурия также следовала истории поздней тяжелой бомбардировки Луны, самого молодого открытого открытого бассейна, Калорис, сравним по возрасту с самыми молодыми крупными лунными бассейнами, Ориентал и Имбриум, а возраст всех равнинных единиц превышает 3 миллиарда лет. [10]

Критика гипотезы катаклизма

Первая критика касается происхождения горных пород ударного расплава, которые были взяты на площадках приземления Аполлона. Хотя эти ударные расплавы обычно приписывают происхождению ближайший бассейн, было высказано мнение, что большая часть из них могла бы вместо этого происходить из бассейна Имбриума. [11] Ударный бассейн Имбриум - самый молодой и самый большой из многокольцевые бассейны обнаружены на центральной ближней стороне Луны, и количественное моделирование показывает, что значительное количество выбросов в результате этого события должно присутствовать на всех площадках посадки Аполлона. Согласно этой альтернативной гипотезе, возраст группы ударных расплавов около 3,9 млрд лет просто отражает материал, собранный в результате одного ударного события, Имбриума, а не нескольких. Дополнительная критика также утверждает, что возрастной скачок в 3,9 млрд лет, выявленный в 40 Ar / 39 Датирование Ar могло также быть вызвано эпизодическим образованием ранней коры с последующим частичным 40 Потери аргона при снижении интенсивности удара. [12]

Геологические последствия на Земле

Если катаклизм Событие кратера действительно произошло на Луне, Земля также пострадала бы. Экстраполяция скорости образования кратеров на Луне [14] к Земле в это время предполагает, что могло бы образоваться следующее количество кратеров: [15]

22 000 и более ударные кратеры диаметром> 20 км (12 миль),
около 40 ударных бассейнов диаметром около 1000 км (620 миль),
несколько ударных бассейнов диаметром около 5000 км (3100 миль),

Однако более старые породы можно было найти в виде астероид фрагменты, которые падают на Землю как метеориты. Как и горные породы на Земле, астероиды также показывают сильную границу, примерно на 4,6 млрд лет, что считается временем, когда первые твердые тела образовались в протопланетный диск вокруг тогда еще молодого Солнца. Таким образом, Хадей был периодом времени между образованием этих ранних горных пород в космосе и окончательным затвердеванием земной коры примерно 700 миллионов лет спустя. На этот раз будет происходить аккреция планет с диска и медленное охлаждение Земли до твердого тела по мере высвобождения гравитационной потенциальной энергии аккреции.

Более поздние расчеты показали, что скорость обрушения и охлаждения зависит от размера скального тела. Масштабирование этой скорости к объекту с массой Земли предполагает очень быстрое охлаждение, для которого требуется всего 100 миллионов лет. [17] В то время разница между измерением и теорией представляла собой загадку.

LHB предлагает возможное объяснение этой аномалии. Согласно этой модели, породы возрастом 3,8 млрд лет затвердели только после того, как большая часть коры была разрушена LHB. В совокупности Акаста Гнейс в Североамериканском кратонном щите и гнейсах в пределах Джек Хиллз Часть Террейна Нарриер-Гнейс в Западной Австралии - это самые старые континентальные фрагменты на Земле, но они, похоже, возникли после LHB. Самый старый минерал, который был датирован на Земле, циркон из Джек-Хиллз 4,404 млрд лет назад, но, вероятно, это фрагмент коры, оставшийся до БГБ, содержащийся в гораздо более молодой (возраст ~ 3,8 млрд лет) породе. [ нужна цитата ]

Трехмерные компьютерные модели, разработанные в мае 2009 г. командой из Колорадский университет в Боулдере постулируют, что большая часть земной коры и живущие в ней микробы могли пережить бомбардировку. Их модели предполагают, что, хотя поверхность Земли была бы стерилизована, гидротермальные источники под поверхностью Земли могли зародить жизнь, предоставив убежище для теплолюбивые микробы. [25]

В апреле 2014 года ученые сообщили об обнаружении свидетельств существования самого большого земного метеора. ударное событие на свидание рядом с Пояс Барбертона Гринстоуна. По их оценкам, удар произошел около 3,26 миллиарда лет назад, а ширина ударного элемента была примерно от 37 до 58 километров (от 23 до 36 миль). Кратер от этого события, если он все еще существует, пока не обнаружен. [26]

Возможные причины

Миграция на гигантскую планету

Моделирование, показывающее внешние планеты и планетезимальный пояс: (а) Ранняя конфигурация, прежде чем Юпитер (зеленый) и Сатурн (оранжевый) достигли резонанса 2: 1; (b) Рассеяние планетезималей во внутренние области Солнечной системы после орбитального сдвига Нептуна (темно-синий) и Урана (светло-синий); (c) После выброса планетезималей планетами. [27]

В модели Ниццы поздняя тяжелая бомбардировка является результатом динамической нестабильности во внешней Солнечной системе. Моделирование оригинальной модели Nice от Gomes и другие. началось с Солнечная системапланеты-гиганты в узкой орбитальной конфигурации, окруженные богатой транснептуновый пояс. Объекты из этого пояса попадают на пересекающие планеты орбиты, заставляя орбиты планет перемещаться в течение нескольких сотен миллионов лет. Орбиты Юпитера и Сатурна медленно расходятся, пока не пересекают 2: 1 орбитальный резонанс вызывая эксцентриситет их орбит увеличиваться. Орбиты планет становятся нестабильными, и Уран и Нептун рассеиваются на более широкие орбиты, которые нарушают внешний пояс, вызывая бомбардировку комет, когда они выходят на орбиты, пересекающие планеты. Взаимодействие между объектами и планетами также способствует более быстрой миграции орбит Юпитера и Сатурна. Эта миграция вызывает резонансы, охватывающие пояс астероидов, увеличивая эксцентриситет многих астероидов, пока они не войдут во внутреннюю часть Солнечной системы и не столкнутся с планетами земной группы. [1] [28]

С момента первой публикации модель Nice претерпела некоторые изменения. Планеты-гиганты теперь начинаются в мультирезонансной конфигурации из-за ранней миграции газа через протопланетный диск. [29] Взаимодействие с транснептуновым поясом позволяет им уйти от резонансов через несколько сотен миллионов лет. [30] Следующие встречи между планетами включают столкновения между ледяной гигант и Сатурн, который выводит ледяного гиганта на орбиту, пересекающую Юпитер, с последующей встречей с Юпитером, которая толкает ледяного гиганта наружу. Этот сценарий прыгающего Юпитера быстро увеличивает разделение Юпитера и Сатурна, ограничивая влияние резонансного смещения на астероиды и планеты земной группы. [31] [32] Хотя это необходимо для сохранения низких эксцентриситетов планет земной группы и предотвращения выхода из пояса астероидов со слишком большим количеством астероидов с высоким эксцентриситетом, это также уменьшает долю астероидов, удаленных из основного пояса астероидов, оставляя теперь почти истощенный внутренняя полоса астероидов в качестве основного источника ударных элементов LHB. [33] Ледяной гигант часто выбрасывается после его встречи с Юпитером, что позволяет предположить, что Солнечная система началась с пять планет-гигантов. [34] Однако недавние работы показали, что ударов от этого внутреннего пояса астероидов недостаточно для объяснения образования древних слоев ударных сфер и лунных бассейнов. [35] и что пояс астероидов, вероятно, не был источником поздней тяжелой бомбардировки. [36]

Позднее формирование Урана / Нептуна

Гипотеза Планеты V

Гипотеза Планеты V утверждает, что пятая планета земного типа создала позднюю тяжелую бомбардировку, когда его метастабильная орбита вошла во внутренний пояс астероидов. Гипотетическая пятая планета земного типа, Планета V, имела массу меньше половины Марса и первоначально вращалась между Марсом и поясом астероидов. Орбита планеты V стала нестабильной из-за возмущений со стороны других внутренних планет, заставивших ее пересечь внутренний пояс астероидов. После близких столкновений с Планетой V многие астероиды вышли на пересекающие Землю орбиты, что привело к поздней тяжелой бомбардировке. Планета V в конечном итоге была потеряна, вероятно, погрузившись в Солнце. При численном моделировании было показано, что неравномерное распределение астероидов, при котором астероиды сильно сконцентрированы в направлении внутреннего пояса астероидов, является необходимым для создания LHB посредством этого механизма. [39] Альтернативная версия этой гипотезы, в которой лунные столкновения представляют собой обломки, образовавшиеся в результате столкновения Планеты V с Марсом, образуя Бассейн Бореалис, было предложено объяснить небольшое количество гигантских лунных бассейнов по сравнению с кратерами и отсутствие свидетельств кометных столкновений. [40] [41]

Разрушение астероида, пересекающего Марс

Гипотеза, предложенная Матия Жук, утверждает, что последние несколько бассейновых ударов были результатом столкновения с крупным астероидом, пересекающим Марс. Этот ВестаРазмер астероида был остатком населения, которое изначально было намного больше, чем нынешний главный пояс астероидов. Большая часть столкновений до наступления Имбриума была вызвана этими объектами, пересекающими Марс, а ранние бомбардировки продолжались до 4,1 миллиарда лет назад. Затем последовало затишье в ударах, образующих бассейн, во время которого магнитное поле Луны ослабло. Затем, примерно 3,9 миллиарда лет назад, катастрофический удар разрушил астероид размером с Весту, радикально увеличив население объектов, пересекающих Марс. Многие из этих объектов затем эволюционировали на орбиты, пересекающие Землю, вызывая всплеск интенсивности лунных столкновений, во время которого формируются последние несколько лунных бассейнов. Чук указывает на слабый или отсутствующий остаточный магнетизм последних нескольких бассейнов и изменение частотно-размерного распределения кратеров, образовавшихся во время этой поздней бомбардировки, как свидетельство, подтверждающее эту гипотезу. [42] Время [43] [44] [45] [46] и причина [47] изменения в распределении размера частот кратеров, является спорным.

Другие потенциальные источники

Ряд других возможных источников поздней тяжелой бомбардировки был исследован. Среди них - дополнительные спутники Земли, вращающиеся независимо или в качестве лунных троянов, планетезимали, оставшиеся от образований планет земной группы, со-орбиталей Земли или Венеры, а также распад крупного астероида главного пояса. Было показано, что дополнительные спутники Земли на независимых орбитах быстро попадали в резонансы во время раннего орбитального расширения Луны, вызванного приливами, и были потеряны или уничтожены в течение нескольких миллионов лет. [48] Было обнаружено, что лунные трояны были дестабилизированы в течение 100 миллионов лет из-за солнечного резонанса, когда Луна достигла 27 радиусов Земли. [49] Было показано, что планетезимали, оставшиеся от образования планет земной группы, слишком быстро истощились из-за столкновений и выбросов, чтобы сформировать последние лунные бассейны. [50] Долгосрочная стабильность первичных коорбиталей Земли или Венеры (трояны или объекты с подковообразными орбитами) в сочетании с отсутствием текущих наблюдений указывает на то, что они вряд ли были достаточно распространены, чтобы вносить вклад в LHB. [51] Было обнаружено, что образование LHB в результате столкновения с астероидом главного пояса требует как минимум 1000–1500 км родительского тела с наиболее благоприятными начальными условиями. [52] Обломки, образовавшиеся в результате столкновений внутренних планет, а теперь потерянные, также были предложены в качестве источника LHB. [53]

Поздняя тяжёлая бомбардировка (также лунный катаклизм, последняя метеоритная бомбардировка) — временной период от 4,1 до 3,8 млрд лет назад, в течение которого, как считается, сформировались многие кратеры на Луне и, предположительно, также на Земле, Меркурии, Венере и Марсе.

Гипотезы

Основанием в первую очередь является датировка образцов лунного грунта, которая свидетельствует о том, что большинство камней оплавились в этот относительно короткий интервал времени. Несмотря на то, что было высказано много гипотез, объясняющих этот всплеск числа астероидов или комет в Солнечной системе, единого мнения о его причинах в научном сообществе нет. Одна из теорий утверждает, что газовые гиганты в ходе этого периода меняли орбиты, что привело к переходу объектов из пояса астероидов или пояса Койпера на эксцентрические орбиты, пересекавшиеся с орбитами планет земной группы. Однако другие утверждают, что образцы лунного грунта не свидетельствуют о каком-либо катастрофическом кратерообразовании около 3,9 млрд лет тому назад, и подобные заключения являются всего лишь следствием подбора образцов.

Геологические последствия для Земли

Если на Луне происходило катастрофическое кратерообразование, то оно воздействовало и на Землю. Экстраполируя информацию относительно Луны на Землю, можно сделать следующую оценку числа образовавшихся на Земле в этот период кратеров:

22 000 или более метеоритных кратеров диаметром > 20 км
около 40 метеоритных чаш диаметром более 1000 км
несколько метеоритных чаш диаметром около 5000 км.

Открытие поздней тяжёлой бомбардировки привело к пересмотру понимания того, какие процессы протекали в катархее. Если ранее поверхность Земли в том периоде считалась покрытой лавой и с огромными вулканами, то в соответствии с представлениями, возникшими после открытия, поверхность Земли в тот период была твёрдой, покрытой водой (с кислой реакцией).

Читайте также: