Planetsammenstød kan sænke det indre tryk i planeter

En ny undersøgelse fra Caltech viser, at gigantiske påvirkninger dramatisk kan sænke planeternes indre tryk, et fund, der væsentligt kunne ændre den nuværende model for planetdannelse.

Påvirkningerne, som den, der menes at have forårsaget dannelsen af ​​jordens måne for omkring 4,5 milliarder år siden, kunne forårsage tilfældige udsving i kerne- og kappetryk, der ville forklare nogle forvirrende geokemiske signaturer i Jordens kappe.

"Tidligere undersøgelser har fejlagtigt antaget, at en planets indre tryk blot er en funktion af planetens masse, og så det øges kontinuerligt, efterhånden som planeten vokser. Det, vi har vist, er, at trykket midlertidigt kan ændre sig efter en stor påvirkning, efterfulgt af en længerevarende stigning i trykket, efterhånden som kroppen efter stødet restituerer sig. Dette fund har store konsekvenser for planetens kemiske struktur og efterfølgende evolution, " siger Simon Lock, postdoc-forsker ved Caltech og hovedforfatter på et papir, der forklarer den nye model, som blev udgivet af Videnskabens fremskridt den 4. september.

Lock forfattede avisen sammen med kollegaen Sarah Stewart (Ph.D. '02), professor i planetarisk videnskab ved University of California, Davis, en 2018 MacArthur Fellow, og en alumna fra Caltech Division of Geological and Planetary Sciences.

Planetsystemer begynder typisk som en støvskive, der langsomt samler sig i klippelegemer. Slutningen af ​​hovedstadiet af denne proces er karakteriseret ved højenergikollisioner mellem kroppe på størrelse med planeter, når de smelter sammen for at danne de endelige planeter.

Chokenergien fra disse påvirkninger kan fordampe betydelige dele af en planet og endda, som det menes at være sket med det nedslag, der dannede månen, forvandler midlertidigt de to kolliderende kroppe til en roterende donut af planetarisk materiale kendt som en "synestia, " som senere afkøles tilbage til en eller flere sfæriske legemer.

Lock og Stewart brugte beregningsmodeller af gigantiske påvirkninger og planetariske strukturer til at simulere kollisioner, der dannede legemer med masser på mellem 0,9 og 1,1 jordmasser og fandt ud af, at umiddelbart efter en kollision, deres indre pres var meget lavere end forventet. De fandt ud af, at faldet i tryk skyldtes en kombination af faktorer:den hurtige rotation forårsaget af kollisionen, som genererede en centrifugalkraft, der virkede mod tyngdekraften, i det væsentlige skubbe materiale væk fra spin-aksen; og den lave tæthed af det varme, delvist fordampet krop.

"Vi har ingen direkte observationer af væksten af ​​jordlignende planeter. Det viser sig, at en planets fysiske egenskaber kan variere voldsomt under deres vækst ved kollisioner. Vores nye syn på planetdannelse er meget mere variabel og energisk end tidligere modeller, som åbner døren for nye forklaringer af tidligere data, " siger Stewart.

Det endelige resultat er, at store påvirkninger kan sænke en planets indre tryk betydeligt. Trykket lige efter et sammenstød som det, der menes at have dannet månen, kunne have været halvdelen af ​​det nuværende Jordens.

Hvis sandt, fundet kunne hjælpe med at forene en langvarig modsætning mellem geokemien i jordens kappe og fysiske modeller for planetdannelse.

Efterhånden som proto-jorden voksede, hver genstand, der kolliderede med den, leverede metal ind i kappen. Efter hver påvirkning, metallet absorberede små mængder af andre elementer fra kappen, og sank derefter til kernen - og trækker disse elementer med sig. Mængden af ​​hvert grundstof, der blev opløst i metallet, blev bestemt, delvis, af jordens indre tryk. Som sådan, den kemiske sammensætning af kappen i dag registrerer kappetrykket under planetens dannelse.

Undersøgelser af metallerne i jordens kappe i dag indikerer, at denne absorptionsproces fandt sted ved tryk, der findes i midten af ​​kappen i dag. Imidlertid, gigantiske påvirkningsmodeller viser, at sådanne påvirkninger smelter det meste af kappen, og så skulle kappen have registreret et meget højere tryk - svarende til det, vi nu ser lige over kernen. Denne uregelmæssighed mellem geokemiske observationer og fysiske modeller er en, som videnskabsmænd længe har forsøgt at forklare.

Ved at vise, at presset efter kæmpepåvirkninger var lavere end tidligere antaget, Lock og Stewart kan have fundet den fysiske mekanisme til at løse denne gåde.

Næste, Lock og Stewart planlægger at bruge deres resultater til at beregne, hvordan stokastiske ændringer i tryk under dannelsen påvirker planeternes kemiske struktur. Lock siger, at de også vil fortsætte med at studere, hvordan planeter kommer sig efter traumet fra gigantiske påvirkninger "Vi har vist, at trykket i planeter kan stige dramatisk, efterhånden som en planet kommer sig, men hvilken effekt har det på, hvordan kappen størkner, eller hvordan Jordens første skorpe blev dannet? Dette er et helt nyt område, der endnu ikke er blevet udforsket, " han siger.

Artiklen har titlen "Kæmpepåvirkninger ændrer stokastisk det indre tryk på jordiske planeter."