行星碰撞可以降低行星的內(nèi)部壓力

加州理工學(xué)院的一項新研究表明，巨大的撞擊可以大大降低行星的內(nèi)部壓力，這一發(fā)現(xiàn)可能會顯著改變當前的行星形成模型。

這些影響，例如大約45億年前被認為導(dǎo)致地球月球形成的影響，可能會引起核心和地幔壓力的隨機波動，這可以解釋地球地幔中令人費解的地球化學(xué)特征。

“以前的研究錯誤地認為行星的內(nèi)部壓力只是行星質(zhì)量的函數(shù)，因此隨著行星的增長它會不斷增加。我們已經(jīng)證明，壓力可以在受到重大影響后暫時改變，其次是隨著沖擊后的身體恢復(fù)，壓力會長期增加。這一發(fā)現(xiàn)對地球的化學(xué)結(jié)構(gòu)和隨后的進化產(chǎn)生了重大影響，“加州理工學(xué)院博士后研究員，一篇論文的主要作者，解釋新模型的Simon Lock說。由Science Advances于9月4日出版。

Lock與同事Sarah Stewart(博士'02)，加州大學(xué)戴維斯分校行星科學(xué)教授，2018年麥克阿瑟研究員，以及加州理工學(xué)院地質(zhì)和行星科學(xué)部門的校友共同撰寫了論文。

行星系統(tǒng)通常以灰塵盤的形式開始，緩慢地聚集到巖石體中。這個過程的主要階段結(jié)束的特點是行星大小的物體之間的高能碰撞，因為它們合并形成最終的行星。

這些沖擊的沖擊能量可以使行星的大部分區(qū)域蒸發(fā)，甚至可以認為，在形成月球的沖擊中發(fā)生這種沖擊，將兩個碰撞體暫時轉(zhuǎn)變成一個被稱為“synestia”的旋轉(zhuǎn)環(huán)形行星材料。后來冷卻回一個或多個球體。

洛克和斯圖爾特使用巨型撞擊和行星結(jié)構(gòu)的計算模型來模擬形成質(zhì)量在0.9和1.1地球質(zhì)量之間的物體的碰撞，并發(fā)現(xiàn)碰撞后，它們的內(nèi)部壓力遠低于預(yù)期。他們發(fā)現(xiàn)壓力的降低是由多種因素共同作用的結(jié)果：碰撞產(chǎn)生的快速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生了一種抵抗重力的離心力，本質(zhì)上是推動材料遠離旋轉(zhuǎn)軸; 和熱的，部分蒸發(fā)的身體的低密度。

“我們沒有直接觀察到類地行星的增長。事實證明，行星的物理特性在碰撞生長過程中會發(fā)生巨大的變化。我們對行星形成的新觀點比以前的模型更加變化和充滿活力。為以前數(shù)據(jù)的新解釋打開了大門，“斯圖爾特說。

最終結(jié)果是，主要影響可以顯著降低行星的內(nèi)部壓力。像一個被認為形成月球的撞擊之后的壓力可能是當今地球的一半。

如果這是真的，這一發(fā)現(xiàn)可能有助于調(diào)和地球地幔地球化學(xué)與行星形成物理模型之間長期存在的矛盾。

隨著原始地球的增長，與之相撞的每個物體都將金屬輸送到地幔中。每次撞擊后，金屬從地幔中吸收少量其他元素，然后沉入巖心 - 用它拖動這些元素。溶解到金屬中的每種元素的量部分地由地球的內(nèi)部壓力決定。因此，今天地幔的化學(xué)成分記錄了行星形成期間的地幔壓力。

今天對地幔中金屬的研究表明，這種吸收過程發(fā)生在今天地幔中部的壓力下。然而，巨大的撞擊模型表明，這種撞擊會使大部分地幔融化，因此地幔應(yīng)該記錄出更高的壓力 - 相當于我們現(xiàn)在在核心上方看到的壓力。地球化學(xué)觀測和物理模型之間的這種異常是科學(xué)家長期以來試圖解釋的。

通過顯示巨大影響后的壓力低于先前的預(yù)期，洛克和斯圖爾特可能已經(jīng)找到了解決這一難題的物理機制。

接下來，洛克和斯圖爾特計劃使用他們的結(jié)果來計算地層壓力的隨機變化如何影響行星的化學(xué)結(jié)構(gòu)。洛克說他們還將繼續(xù)研究行星如何從巨大的撞擊中恢復(fù)過來“我們已經(jīng)證明，隨著行星的恢復(fù)，行星的壓力會急劇增加，但這對地幔如何凝固或地球的第一次影響有何影響?地殼形成?這是一個尚未開發(fā)的全新領(lǐng)域，“他說。