Kalifornijos technologijos instituto atliktas tyrimas rodo, kad dvi didžiulės, daug geležies turinčios struktūros giliai Žemės mantijoje yra Tėjos – senovės planetos, kuri susidūrė su Žeme, taip pat sukūrusios Mėnulį, liekanos. Šis atradimas atsako į ilgalaikius klausimus apie Mėnulio kilmę ir Tėjos likimą.

Devintajame dešimtmetyje geofizikai padarė stulbinantį atradimą: giliai Žemės centre buvo aptiktos dvi žemyno dydžio neįprastų medžiagų dėmės – viena po Afrikos žemynu, o kita – po Ramiuoju vandenynu. Kiekvienas taškas yra maždaug dvigubai didesnis už Mėnulį ir greičiausiai sudarytas iš skirtingų elementų proporcijų, palyginti su aplinkine mantija.

Didelis, mažo greičio apskrities turtas

Iš kur atsirado šios keistos dėmės, oficialiai žinomos kaip didelės mažo greičio provincijos (LLVP)? Naujas Kalifornijos technologijos instituto mokslininkų tyrimas rodo, kad tai yra senovės planetos, kuri prieš milijardus metų smarkiai susidūrė su Žeme, likučiai, per tą patį milžinišką smūgį, dėl kurio atsirado mūsų Mėnulis.

Tyrimas buvo paskelbtas žurnale gamta Lapkričio 1 d. jis taip pat siūlo atsakymą į kitą planetų mokslo paslaptį. Tyrėjai jau seniai manė, kad Mėnulis atsirado po milžiniško Žemės ir mažesnės planetos, vadinamos Theia, susidūrimo, tačiau asteroidų juostoje ar meteorituose Tėjos pėdsakų nerasta. Šis naujas tyrimas rodo, kad didžioji Theia dalis buvo absorbuota į jauną Žemę, sudarydama LLVP, o po susidūrimo likusios šiukšlės buvo absorbuotos į Mėnulį.

Žemės vizualizacija su didelėmis tankios medžiagos „dėmėmis“ netoli Žemės šerdies. Šie taškai buvo atrasti devintajame dešimtmetyje. Dabar mokslininkai teigia, kad tai iš tikrųjų yra senovės planetos Theia, kuri susidūrė su Žeme ir susidarė Mėnulis, liekanos. Kreditas: Edwardas Garnero

Tyrimo metodika ir rezultatai

Tyrimui vadovavo Qian Yuan, Oakey Earle doktorantūros mokslinis bendradarbis Paul Asimo (MS ’93, PhD ’97), Eleanor ir John R. MacMillan geologijos ir geochemijos profesoriaus laboratorijose; ir Michaelas Jornessas, Johno E. ir Hazel S. Smitso geofizikos profesorius ir Clarence R. Allen lyderystės vadovas, Caltech seisminės laboratorijos direktorius ir Caltech Schmidto programinės įrangos inžinerijos akademijos direktorius.

Mokslininkai pirmą kartą atrado LLVP, matuodami seismines bangas, sklindančias per Žemę. Seisminės bangos įvairiomis medžiagomis sklinda skirtingu greičiu, o devintajame dešimtmetyje pasirodė pirmosios užuominos apie didelio masto trimačius pokyčius giliai Žemės struktūroje. Gilesnėje mantijoje seisminių bangų raštas dominuoja dviejų didelių struktūrų, esančių netoli Žemės šerdies, parašai, kuriuose, tyrėjų nuomone, yra neįprastai didelis geležies kiekis. Šis didelis geležies kiekis reiškia, kad sritys yra tankesnės nei aplinka, todėl per jas einančios seisminės bangos sulėtėja, o tai lemia „didelių mažo greičio provincijų“ pavadinimą.

Yuanas, pagal išsilavinimą geofizikas, 2019 m. dalyvavo simpoziume apie planetų formavimąsi, kurį vedė Arizonos valstijos universiteto profesorius Michailas Zolotovas. Zolotovas pristatė milžiniško smūgio hipotezę, o Qian atkreipė dėmesį, kad Mėnulyje yra gana daug geležies. Zolotovas pridūrė, kad transporto priemonės, kuri tikrai atsitrenkė į žemę, pėdsakų nerasta.

„Iš karto po to, kai Michaelas pasakė, kad niekas nežino, kur dabar yra smūginis objektas, aš patyriau „eureka momentą“ ir supratau, kad geležies turtingas smūginis objektas galėjo virsti mantijos dėmėmis“, – sako Yuanas.

Išsamus Theia poveikio Žemei modeliavimas. Nors smūgis buvo stiprus, jis nebuvo pakankamai galingas, kad ištirptų apatinę Žemės mantiją, o tai reiškia, kad Tėjos liekanos galėjo būti išsaugotos, o ne homogeniškai sumaišytos su Žemės medžiaga. Kreditas: Hong Bing Ding

Yuanas dirbo su tarpdisciplininiais bendradarbiais, kad modeliuotų skirtingus Theia cheminės sudėties ir jos poveikio Žemei scenarijus. Modeliavimas patvirtino, kad dėl susidūrimo fizikos gali susidaryti ir LLVP, ir Mėnulis. Gali būti, kad dalis Theia mantijos buvo įtraukta į Žemės mantiją, kur galiausiai susijungė ir susikristalizavo, kad susidarytų dvi skirtingos dėmės, kurias šiandien galima aptikti ties mantijos šerdies riba; Kitos susidūrimo šiukšlės susimaišė ir susidarė Mėnulis.

Pasekmės ir būsimi tyrimai

Atsižvelgiant į šį žiaurų poveikį, kodėl Theia medžiaga susikaupė dviejose skirtingose ​​vietose, o ne susimaišė su likusia besiformuojančios planetos dalimi? Tyrėjų modeliavimas parodė, kad didžioji Theia smūgio energijos dalis liko viršutinėje mantijos dalyje, todėl apatinė Žemės mantijos dalis buvo vėsesnė, nei buvo įvertinę ankstesni žemos raiškos smūgio modeliai. Kadangi apatinė mantija nebuvo visiškai ištirpusi nuo smūgio, daug geležies turinčios Tėjos medžiagos dėmės išliko beveik nepažeistos, kai ji persijota į mantijos pagrindą, kaip spalvingi parafino gabalėliai užgesusioje lavos lempoje. Jei apatinė mantija būtų buvusi karštesnė (ty susidūrimo metu gavusi daugiau energijos), ji būtų geriau susimaišiusi su geležies turinčiomis medžiagomis, pavyzdžiui, spalvomis dažų puode.

Kiti žingsniai yra ištirti, kaip ankstyvas Theia nevienalytės medžiagos buvimas giliai Žemėje paveikė mūsų planetos vidinius procesus, tokius kaip plokščių tektonika.

„Loginė idėjos, kad LLVP yra Theia liekanos, pasekmė yra ta, kad jie yra labai seni“, – sako Asimovas. „Tad prasminga ištirti, kokias pasekmes jie turėjo ankstyvajai Žemės evoliucijai, pavyzdžiui, subdukcijos pradžia, kol sąlygos tapo tinkamos šiuolaikinei plokščių tektonikai, pirmųjų žemynų formavimasis ir seniausių tektoninių plokščių kilmė. Žemės mineralų“.

Nauji tyrimai atsako į dvi ilgalaikes planetų mokslo paslaptis: kas yra milžiniškos, paslaptingos medžiagos „dėmės“ netoli Žemės šerdies ir kas atsitiko planetai, kuri susidūrė su Žeme, kad sukurtų Mėnulį? Naujas Kalifornijos technologijos instituto tyrimas rodo, kad šios senovės planetos liekanos vis dar egzistuoja Žemėje, paaiškinančios „dėmių“ kilmę šalia šerdies ir mantijos ribos.

Nuoroda: „Mėnulio formavimosi susidūrimas kaip Žemės bazinės mantijos anomalijos šaltinis“, Qian Yuan, Mingming Li ir Stephen J. Desch, Byung-Kwan Koo, Hongpeng Deng ir Edward J. Garnero, Travisas S.J. Gabrielis ir Jacobas A. , Vincentas Ecke’as ir Paulas D. Asimovas, 2023 m. spalio 32 d. gamta.
doi: 10.1038/s41586-023-06589-1

Qian Yuan yra pirmasis autorius. Be Yuano ir Asimo, papildomas Caltech bendraautorius yra Yoshinori Miyazaki, Stanbacko doktorantūros tyrėjas, dalyvaujantis lyginamojoje planetų evoliucijoje. Papildomi bendraautoriai yra Mingmingas Li, Stephenas Deschas ir Edwardas Garnero (94 m. daktaro laipsnis) iš Arizonos valstijos universiteto (ASU); Byungkwan Ko iš Arizonos valstijos universiteto ir Mičigano valstijos universiteto; Hongpingas Dingas iš Kinijos mokslų akademijos; Travisas Gabrielis iš USGS; Jokūbas Kegeris NASAAmes tyrimų centras; ir Vincentas Ecke iš Durhamo universiteto. Finansavimą skyrė Nacionalinis mokslo fondas, Aoki Earle doktorantūros stipendija Caltech, USGS, NASA ir Caltech lyginamosios planetų evoliucijos centras.