Ученые из Университета штата Аризона, Калифорнийского технологического института в Пасадене и Даремского университета в Великобритании выяснили, что массивные аномалии в мантии Земли, известные как крупные области с низкой скоростью сдвига, на самом деле являются остатками планеты Тейя. Эта планета врезалась в Землю примерно 4,5 миллиарда лет назад, что привело к формированию Луны. Результаты исследования представлены в статье, опубликованной в журнале Nature.
Узнайте больше в полной версии ➞Научная работа основана на методах гидродинамического моделирования и исследовании 2019 года, которое показало, что столкновение с планетой размером с Марс должно было привести к расслоению мантии на глубине примерно 1300 километров. Верхний слой представлял собой океан магмы, созданный в результате тщательного перемешивания материала первичной Земли (или Геи) с веществом Тейи, а более твердый нижний слой сохранил первоначальный состав. По оценкам, количество вещества Тейи, попавшего внутрь Земли, составляет 1,6-2 процента массы самой Земли.
Со временем верхний расплавленный слой затвердевал, его отдельные части тонули и накапливались на границе ядра и мантии Земли, где могли сохраняться в течение 4,5 миллиарда лет. Чтобы проследить за дальнейшей судьбой вещества Тейи, находившегося в этом слое, ученые использовали более высокоточное моделирование.
Ранее сейсмическое картографирование недр Земли выявило две большие аномальные области на границе мантии и ядра, названные крупными областями с низкой скоростью сдвига (LLVP). LLVP находятся под Африкой и Тихим океаном и достигают в поперечнике несколько тысяч километров, составляя шесть процентов объема всей Земли. Так, тихоокеанская LLVP имеет диаметр 3000 километров.
Эти зоны характерны тем, что в них падает скорость сдвиговых волн (S-волн) — поперечных волн, которые распространяются в твердых средах или в жидкостях с очень высокой вязкостью. Это говорит о том, что они резко отличаются по составу от остальной мантии.
Было предложено несколько гипотез появления этих аномалий, включая расслоение мантии Земли или погруженные остатки океанической коры после столкновения Земли с другой планетой на заре существования Солнечной системы. Однако эти сценарии не объясняют наличия относительно большого количества летучих веществ в LLVP. Ученые предположили, что эти летучие компоненты изначально были захвачены Тейей из протопланетной туманности за орбитой Юпитера и удерживались ею до момента столкновения с Землей.
Чтобы подтвердить, что LLVP действительно представляют собой остатки Тейи, ученые смоделировали погружение вещества протопланеты в мантию Земли, исходя из его химического состава. Поскольку столкновение протопланеты с Землей привело к образованию Луны, то следует ожидать, что химический состав пород на Луне отражает состав мантии Тейи. Известно, что в мантии Луны в больших количествах содержится FeO, а также наблюдается низкое соотношение дейтерия к водороду. Модели воспроизводят эту картину в том случае, если масса FeO в мантии Тейи составляла 13-18 процентов массы всей мантии протопланеты.
Ученые рассчитали, что с учетом содержания FeO вещество мантии Тейи должно было быть на 2-3,5 процента плотнее мантии протоземли. Гидродинамические модели продемонстрировали, что после столкновения из материала Тейи образовались плотные сгустки размером в десятки километров, которые погружались и избегали перемешивания. К тому моменту, когда сгустки достигли ядра, они остыли и затвердели, при этом на затвердевание 50-километрового сгустка уходило всего 1000 лет.
В финальной части исследования специалисты использовали геодинамическую модель. В ней сгустки мантии Тейи представляли собой случайно распределенные сферы с радиусом 50 километров, которые на 2,5 процента плотнее окружающей мантии и обладают совокупным объемом примерно 4 процента от объема мантии Земли. Эти сгустки быстро опускались к ядру, а через 4,5 миллиарда лет в результате конвекции образовали две гигантские протяженные зоны, которые сохранили свой первоначальный состав. Рассчитанная скорость сдвиговых волн в этих зонах соответствовала таковой у LLVP.
В основе исследования лежит гипотеза, что столкновение Земли с Тейей привело к появлению Луны. Сценарий гигантского удара основан на сходстве пород Луны с породами Земли, что указывает на то, что часть земных пород попала в космос во время какого-то катастрофического события. Столкновение позволяет объяснить и ряд других загадок — например, появление огромного количества воды на Земле, а также большие размеры земного ядра.
Ряд специалистов предполагает, что Тейя возникла не рядом с Землей, а во внешней области Солнечной системы и состояла из хондритовых пород, обогащенных водой и другими летучими веществами. Она находилась на нестабильной орбите, и со временем гравитационные возмущения со стороны планет-гигантов заставили ее мигрировать ближе к Солнцу. Какое-то время она двигалась по той же орбите, что и Земля, находясь в одной из точек Лагранжа, однако влияние Венеры или Юпитера привело к столкновению.
Авторы предполагают, что, так как гигантские удары являются обычным явлением на конечных стадиях аккреции планет, неоднородности мантии, аналогичные LLVP и вызванные ударами, также могут существовать в недрах других планет.