Jorden og Venus voksede op som rambulerende planeter

Det, der ikke hænger ved, kommer omkring:Brug af maskinlæring og simuleringer af kæmpemæssige påvirkninger, forskere ved Lunar and Planetary Laboratory fandt ud af, at planeterne i de indre solsystemer sandsynligvis blev født fra gentagne hit-and-run-kollisioner, udfordrende konventionelle modeller for planetdannelse.

Planetdannelse - den proces, hvorved pæn, rund, adskilte planeter dannes fra en bølgende, hvirvlende sky af robuste asteroider og miniplaneter - var sandsynligvis endnu mere rodet og mere kompliceret, end de fleste videnskabsmænd ville være ligeglade med at indrømme, ifølge ny forskning ledet af forskere ved University of Arizona Lunar and Planetary Laboratory.

Resultaterne udfordrer det konventionelle syn, hvor kollisioner mellem mindre byggeklodser får dem til at hænge sammen og, over tid, gentagne kollisioner skaber nyt materiale til den voksende babyplanet.

I stedet, forfatterne foreslår og demonstrerer beviser for et nyt "hit-and-run-return"-scenarie, hvor præ-planetariske kroppe tilbragte en stor del af deres rejse gennem det indre solsystem med at styrte ind i og rikochettere af hinanden, inden de løber ind i hinanden igen på et senere tidspunkt. Efter at være blevet bremset af deres første kollision, de ville være mere tilbøjelige til at holde sammen næste gang. Forestil dig et spil billard, med boldene i ro, i modsætning til at kaste en snemand med snebolde, og du får ideen.

Undersøgelsen er offentliggjort i to rapporter, der vises i 23. september-udgaven af The Planetary Science Journal , med en med fokus på Venus og Jorden, og den anden på Jordens måne. Centralt for begge publikationer, ifølge forfatterholdet, som blev ledet af planetariske videnskaber og LPL professor Erik Asphaug, er det stort set uerkendte punkt, at gigantiske virkninger ikke er de effektive fusioner, forskerne troede, de var.

"Vi finder ud af, at de fleste gigantiske påvirkninger, selv relativt 'langsomme', er hit-and-runs. Det betyder, at for at to planeter skal smelte sammen, du skal normalt først bremse dem i en ram-og-kør-kollision, " sagde Asphaug. "At tænke på gigantiske påvirkninger, for eksempel dannelsen af ​​månen, som en enkelt begivenhed er sandsynligvis forkert. Mere sandsynligt tog det to kollisioner i træk."

En implikation er, at Venus og Jorden ville have haft meget forskellige oplevelser i deres vækst som planeter, på trods af at de er umiddelbare naboer i det indre solsystem. I denne avis, ledet af Alexandre Emsenhuber, som udførte dette arbejde under et postdoc-stipendium i Asphaugs laboratorium og nu er på Ludwig Maximilian University i München, den unge Jord ville have tjent til at bremse sammenfaldende planetlegemer, hvilket gør dem i sidste ende mere tilbøjelige til at kollidere med og holde sig til Venus.

"Vi tror, ​​at under dannelsen af ​​solsystemet, den tidlige Jord fungerede som en fortrop for Venus, " sagde Emsenhuber.

Solsystemet er, hvad forskerne kalder en gravitationsbrønd, konceptet bag en populær attraktion på videnskabelige udstillinger. Besøgende kaster en mønt i en tragtformet gravitationsbrønd, og se derefter deres kontanter fuldføre flere kredsløb, før de falder ned i det midterste hul. Jo tættere en planet er på solen, jo stærkere tyngdekraften opleves af planeter. Det er derfor de indre planeter i solsystemet, som disse undersøgelser var fokuseret på - Merkur, Venus, Jorden og Mars - kredser hurtigere om solen end, sige, Jupiter, Saturn og Neptun. Som resultat, jo tættere en genstand vover sig på solen, jo mere sandsynligt er det at blive der.

Så da en sammenfaldende planet ramte Jorden, det var mindre tilbøjeligt til at holde sig til Jorden, og i stedet mere tilbøjelige til at ende på Venus, Asphaug forklarede.

"Jorden fungerer som et skjold, giver et første stop mod disse indgribende planeter, " sagde han. "Mere sandsynligt end ikke, en planet, der hopper af Jorden, vil ramme Venus og smelte sammen med den."

Emsenhuber bruger analogien med en bold, der hopper ned ad en trappe, for at illustrere ideen om, hvad der driver avantgardeeffekten:Et legeme, der kommer ind fra det ydre solsystem, er som en bold, der hopper ned ad en trappe, hvor hvert hop repræsenterer en kollision med en anden krop.

"Langs vejen, bolden mister energi, og du vil opdage, at den altid vil hoppe nedenunder, aldrig ovenpå, " sagde han. "På grund af det, kroppen kan ikke forlade det indre solsystem længere. Du går normalt kun nedenunder, mod Venus, og en impactor, der kolliderer med Venus, er ret glad for at blive i det indre solsystem, så på et tidspunkt kommer den til at ramme Venus igen."

Jorden har ikke sådan en fortrop til at bremse dens indbyrdes sammenfaldende planeter. Dette fører til en forskel mellem de to planeter af samme størrelse, som konventionelle teorier ikke kan forklare, argumenterer forfatterne.

"Den fremherskende idé har været, at det er ligegyldigt, om planeter kolliderer og ikke smelter sammen med det samme, fordi de kommer til at løbe ind i hinanden igen på et tidspunkt og derefter smelte sammen, " sagde Emsenhuber. "Men det er ikke det, vi finder. Vi oplever, at de oftere ender med at blive en del af Venus, i stedet for at vende tilbage til Jorden. Det er nemmere at gå fra Jorden til Venus end omvendt."

For at spore alle disse planetariske baner og kollisioner, og i sidste ende deres fusioner, holdet brugte maskinlæring til at opnå prædiktive modeller fra 3D-simuleringer af gigantiske påvirkninger. Holdet brugte derefter disse data til hurtigt at beregne orbitaludviklingen, inklusive hit-and-run og flettekollisioner, at simulere terrestrisk planetdannelse i løbet af 100 millioner år. I det andet papir, forfatterne foreslår og demonstrerer deres hit-and-run-retur-scenario for månens dannelse, genkender de primære problemer med standardmodellen for kæmpepåvirkninger.

"Standardmodellen for månen kræver en meget langsom kollision, relativt set, " sagde Asphaug, "og det skaber en måne, der hovedsageligt består af den indgribende planet, ikke proto-jorden, hvilket er et stort problem, da månen har en isotopkemi næsten identisk med Jorden."

I holdets nye scenarie, en protoplanet på størrelse med Mars rammer Jorden, som i standardmodellen, men er lidt hurtigere, så det bliver ved. Den vender tilbage om cirka 1 million år for en gigantisk effekt, der ligner standardmodellen meget.

"Den dobbelte påvirkning blander tingene meget mere sammen end en enkelt begivenhed, " sagde Asphaug, "hvilket kunne forklare den isotopiske lighed mellem Jorden og månen, og også hvordan den anden, langsom, sammensmeltning ville være sket i første omgang."

Forskerne mener, at den resulterende asymmetri i, hvordan planeterne blev sat sammen, peger på vejen til fremtidige undersøgelser, der adresserer mangfoldigheden af ​​jordiske planeter. For eksempel, vi forstår ikke, hvordan Jorden endte med et magnetfelt, der er meget stærkere end Venus, eller hvorfor Venus ikke har nogen måne.

Deres forskning viser systematiske forskelle i dynamik og sammensætning, ifølge Asphaug.

"Efter vores opfattelse Jorden ville have ophobet det meste af sit materiale fra kollisioner, der var frontale stød, eller ellers langsommere end dem, Venus oplever, " sagde han. "Kollisioner ind i Jorden, der var mere skrå og højere hastighed, ville fortrinsvis have endt på Venus."

Dette ville skabe en skævhed, hvor for eksempel, protoplaneter fra det ydre solsystem, ved højere hastighed, ville fortrinsvis have akkrediteret til Venus i stedet for Jorden. Kort sagt, Venus kunne være sammensat af materiale, som var sværere for Jorden at få fat i.

"Man skulle tro, at Jorden består mere af materiale fra det ydre system, fordi det er tættere på det ydre solsystem end Venus. Men faktisk, med Jorden i denne fortropsrolle, det gør det faktisk mere sandsynligt for Venus at ophobe materiale fra det ydre solsystem, " sagde Asphaug.