Ранняя история Земли отмечена массовыми столкновениями с другими объектами, включая планетезимали. Одно из определяющих событий в истории нашей планеты, образование Луны, вероятно, возникло в результате одного из таких катастрофических столкновений, когда протопланета размером с Марс врезалась в Землю. Это гипотеза гигантского удара, и она объясняет, как в результате столкновения образовался тор обломков, вращающийся вокруг Земли, который в конечном итоге объединился в наш единственный естественный спутник.
Новое исследование подтверждает идею о том, что Тейя оставила часть своих останков внутри Земли.
Гигантский удар, создавший Луну, произошел в гадейском эоне. Гадейский эон — первый из четырех эонов Земли и охватывает период от формирования Земли около 4,5 миллиардов лет назад до примерно 4,03 миллиарда лет назад, когда на смену ему пришел архейский эон.
Земля была океаном магмы примерно первые 50 миллионов лет. Во время Гадея началось охлаждение, но мантия все еще была гораздо более вязкой, чем сегодня. Остаточное тепло от ее образования и более высокий уровень радиогенного нагрева поддерживали мантию в более жидком состоянии. В то время в мантии также было больше воды, что добавляло мантии текучести.
Это важно, потому что, когда объекты врезались в Землю, они могли погружаться глубже в мантию.
Еще в 1980-х годах ученые сделали замечательное открытие. Две гигантские капли размером с континент были погружены глубоко в Землю. Один находится под Африкой, другой — под Тихим океаном. Их называют LLSVP, или большими областями с низкой скоростью сдвига, и в них необычно высокий уровень железа. Концентрация железа меняет скорость проходящих через них сейсмических волн, что приводит к их открытию.
Обе LLSVP простираются на тысячи километров по горизонтали и до 1000 км вверх от границы между ядром Земли и ее мантией. Они содержат около 8% объема мантии Земли и около 6% общего объема Земли.
На протяжении десятилетий их происхождение оставалось загадкой. Ученые задались вопросом, могут ли они быть остатками Тейи, протопланеты, которая врезалась в Землю, в результате чего образовалась Луна. Но убедительные доказательства оказались неуловимыми.
Теперь новые исследования убедительно указывают на Гигантский удар как на источник LLSVP. Новая статья называется «Ударный элемент, образующий Луну, как источник аномалий базальной мантии Земли». Оно опубликовано в журнале Nature, а его ведущим автором является Цянь Юань, научный сотрудник сейсмологической лаборатории Калифорнийского технологического института.
Юань — геофизик, но когда в 2019 году он посетил семинар по формированию планет Михаила Золотова, профессора Университета штата Аризона, зажегся свет. Золотов объяснял гипотезу гигантского удара. Одновременно произошли две вещи: Цянь отметил, что Луна относительно богата железом, а Золотов объяснил, что никаких следов Тейи так и не было обнаружено.
«Сразу после того, как Михаил сказал, что никто не знает, где сейчас находится ударник, у меня случился «момент эврики», и я понял, что богатый железом ударник мог превратиться в мантийные сгустки», — говорит Юань.
Юань не первый учёный, рассматривающий такую возможность. Но научные методы и инструменты со временем совершенствуются. Юань работал с другими исследователями из разных дисциплин, чтобы выполнить несколько симуляций Гигантского удара с различным химическим составом для Тейи и ее воздействия на Гадейскую Землю.
Согласно их работе, произошло вот что.
Когда Тейя врезалась в Землю, она выпустила огромное количество энергии. Он распылил расплавленный материал с обеих планет на орбиту вокруг Земли. Некоторым удалось спастись, большая часть слилась с Луной, а часть осталась внутри расплавленной формы Земли.
Но большая часть энергии, полученной в результате столкновения, осталась в верхних областях Земли, так и не проникнув в ядро. Именно здесь моделирование Юаня отличается от предыдущих попыток. Они более детальны и имеют более высокое разрешение. Предыдущие попытки не смогли доказать, что энергия никогда не проникала в ядро, что привело к неопределенным выводам.
Но если ядро Земли было эффективно заблокировано от энергии удара, оно оставалось намного холоднее. Это также означает, что нижняя мантия Земли не была нагрета до такой степени, как показали предыдущие исследования. Итак, материал Тейи, называемый Материалом Мантии Тейи (TMM), который остался внутри Земли, не растворился полностью в мантии. Вместо этого он сформировал два узнаваемых сгустка, которые образуют обе LLSVP Земли.
Если бы мантия была теплее, то есть получила бы больше энергии от удара, материал мантии Земли и ТММ смешались бы друг с другом более тщательно. Но они не смешались, а более высокое содержание железа в ТММ делает LLSVP видимыми при сейсмическом зондировании, поскольку все это железо замедляет сейсмические волны.
В результате получается то, что геофизики называют термохимическими сваями.
«Наши модели мантийной конвекции показывают, что плотные сгустки ТММ размером в десятки километров после удара могут позже погрузиться и накопиться в термохимические кучи, подобные LLVP, на вершине ядра Земли и выжить до наших дней», — пишут авторы в своей статье. «Таким образом, LLVP могут быть естественным следствием удара гиганта, образующего Луну».
Все это приводит к еще одной увлекательной линии исследования. Как этот материал повлиял на остальную часть истории Земли? Тектоника плит, климат и даже ход эволюции?
«Логическим следствием идеи о том, что LLVP являются остатками Тейи, является то, что они очень древние», — сказал соавтор исследования Пол Азимоу. «Поэтому имеет смысл исследовать затем, какие последствия они имели для самой ранней эволюции Земли, такие как начало субдукции до того, как условия стали подходящими для тектоники плит современного типа, формирование первых континентов и происхождение самых древних сохранившиеся земные минералы».
