Unsere herkömmlichen Modelle der Planetenentstehung müssen möglicherweise aktualisiert werden, heißt es in zwei neuen Papieren.
Akkretion ist das Schlüsselwort in der aktuellen Planetenentstehungstheorie. Die Idee ist, dass sich die Planeten aus dem Sonnennebel gebildet haben, dem Material, das nach der Entstehung der Sonne übrig geblieben ist. Sie taten dies durch Akkretion, bei der sich kleine Partikel zu massereicheren Objekten ansammeln. Diese massiven, felsengroßen Objekte, Planetesimale genannt, verschmolzen weiterhin zu größeren Einheiten, manchmal durch Kollisionen. Schließlich wurde das innere Sonnensystem durch wiederholte Verschmelzungen und Kollisionen von vier Gesteinsplaneten bevölkert.
Aber die neue Forschung legt nahe, dass die Kollisionen ganz anders abliefen als gedacht und dass Objekte mehrere Male in einer Reihe von Hit-and-Runs miteinander kollidierten, bevor sie sich verschmolzen. Diese Forschung füllt einige hartnäckige Lücken in unserem derzeitigen Verständnis.
Die beiden neuen Artikel werden im Planetary Science Journal veröffentlicht. Der erste befasst sich mit Hit-and-Runs in den späten Entstehungsstadien von Erde und Venus. Es trägt den Titel „ Kollisionsketten zwischen den terrestrischen Planeten. II. Eine Asymmetrie zwischen Erde und Venus. Der Hauptautor ist Alexandre Emsenhuber, der zum Zeitpunkt dieser Arbeit am Lunar and Planetary Laboratory der University of Arizona war.
Die Forscher verließen sich auf 3D-Simulationen riesiger Auswirkungen und auf maschinelles Lernen basierend auf diesen Auswirkungen. Sie fanden heraus, dass Hit-and-Runs oder Kollisionsketten in den späteren Stadien der Planetenentstehung so häufig sind wie Akkretionsereignisse, zumindest für Venus und Erde. Und sie fanden auch heraus, dass die Erde als eine Art Vorhut für die Venus fungierte und dabei half, Impaktoren in die Venus zu leiten.
Die Autoren schlagen ein Hit-and-Run-and-Return-Modell für die terrestrischen Planeten vor und haben Beweise dafür. Sie sagen, dass die präplanetaren Körper lange Zeit damit verbracht hätten, in jeden zu krachen, abzuprallen und wieder zusammenzustoßen, um wieder ineinander zu kollidieren. Da die erste Kollision sie verlangsamt hätte, würden sie bei nachfolgenden Kollisionen eher zusammenkleben. Während das Akkretionsmodell oft mit einem Schneemann verglichen wird, an dem jeder Schneeball klebt, ähnelt dieses Modell eher Billard. Es gibt aufeinanderfolgende Kollisionen, bei jeder Kollision mit reduzierter Geschwindigkeit, bis sich die Lage beruhigt hat.
Die zentrale Erkenntnis aus der Forschung ist, dass Rieseneinschläge keine effizienten planetenbildenden Ereignisse sind.
„Wir stellen fest, dass die meisten riesigen Einschläge, selbst relativ ‚langsame‘, Fahrerfluchten sind. Damit zwei Planeten verschmelzen können, müssen Sie sie normalerweise zuerst bei einer Kollision mit Fahrerflucht verlangsamen“, sagte Erik Asphaug, Co-Autor von LPL an der University of Arizona. „Giganten Einschläge, zum Beispiel die Entstehung des Mondes, als singuläres Ereignis vorzustellen, ist wahrscheinlich falsch. Wahrscheinlich hat es zwei Kollisionen hintereinander gedauert.“
Das erste der beiden Papiere konzentriert sich auf Venus und Erde, die oft als „Schwesterplaneten“ bezeichnet werden. Bei Schwesterplaneten gibt es jedoch einige rätselhafte Unterschiede zwischen den beiden in Bezug auf Zusammensetzung, Geologie und Satellitenbildung. Die Forscher glauben zu wissen, warum.
„Wir glauben, dass die frühe Erde während der Entstehung des Sonnensystems wie eine Vorhut für die Venus agierte.“
Alexandre Emsenhuber, Hauptautor.
Das frühe Sonnensystem war eine chaotische Zeit, in der Objekte aufeinanderprallten. Das neue Modell zeigt, dass Erde und Venus eine ungewöhnliche Beziehung hatten. Sie sagen, dass die Erde eine Art Vorhut für die Venus war. Als Objekte die Erde trafen und von ihnen abprallten, wurden viele von ihnen mit geringerer Geschwindigkeit zur Venus geschickt. Auf diese Weise hat die Venus mehr Objekte aus dem äußeren Sonnensystem angesammelt.
„Die Erde fungiert als Schild und bietet einen ersten Halt gegen diese einschlagenden Planeten“, sagte Asphaug. 'Wahrscheinlich wird ein Planet, der von der Erde abprallt, die Venus treffen und mit ihr verschmelzen.' Ein Grund dafür ist, dass das Sonnensystem wie ein Gravitationsbrunnen ist. Je näher ein Objekt der Sonne kommt, desto wahrscheinlicher ist es, dass es dort bleibt. Da die Venus näher ist, haften mehr Objekte an ihr, nachdem sie die Erde getroffen und abprallen. „…ein Impaktor, der mit der Venus kollidiert, ist ziemlich glücklich, im inneren Sonnensystem zu bleiben, also wird er irgendwann wieder auf die Venus treffen“, erklärte Asphaug.
Erde, Venus, Mars und Merkur. Nach der Theorie der Akkretion im späten Stadium sind Mars und Merkur (vorne links und rechts) die Überreste einer ursprünglichen Population kollidierender Embryonen, und Venus und Erde wuchsen in einer Reihe riesiger Einschläge. Neue Forschungen konzentrieren sich auf das Überwiegen von Hit-and-Run-Kollisionen bei riesigen Einschlägen und zeigen, dass die Proto-Erde als „Vorhut“ gedient hätte, um planetengroße Körper bei Hit-and-Runs zu verlangsamen. Aber es ist meistens die Proto-Venus, die sie letztendlich akkretiert, was bedeutet, dass es für die Venus einfacher war, Körper aus dem äußeren Sonnensystem zu erhalten. Bildquelle: Lsmpascal – Wikimedia Commons
Aber die Erde hat keine Vorhut. Es gibt nichts, was sich überlagernde Objekte aus dem äußeren Sonnensystem bremsen könnte. Infolgedessen prallten viele Objekte einfach ab. Und da Objekte zum Schwerpunkt gut angezogen werden, werden sie wahrscheinlich nicht wieder auf die Erde treffen. Stattdessen begegnen sie Venus. Diese Diskrepanz könnte die Unterschiede zwischen Venus und Erde erklären. Bei Low-Velocity-Hit-and-Runs „… der Läufer ist ein identifizierbarer Überrest des Projektils (zB ein vom Mantel abgezogener Kern, manchmal kaum)…“ schreiben die Autoren.
„Die vorherrschende Idee war, dass es egal ist, ob Planeten kollidieren und nicht sofort verschmelzen, weil sie irgendwann wieder zusammenlaufen und dann verschmelzen“, sagte Emsenhuber. „Aber das finden wir nicht. Wir stellen fest, dass sie am Ende häufiger Teil der Venus werden, anstatt zur Erde zurückzukehren. Es ist einfacher, von der Erde zur Venus zu gelangen als umgekehrt.“
Bei den meisten Hit-and-Runs überlebt der Großteil des Projektils den Aufprall. Aber seine Geschwindigkeit kann stark reduziert und seine Flugbahn verändert werden. Wird der Läufer ausreichend verlangsamt, können beide Körper gravitativ aneinander gebunden bleiben. In diesem Fall nennen es die Forscher ein Graze-and-Merge.
Das Papier kam zu vier damit zusammenhängenden Schlussfolgerungen.
- Die terrestrischen Planeten waren während der späteren Stadien der Planetenentstehung nicht voneinander isoliert. Entkommene Läufer von einem Hit-and-Run mit einem Planeten werden wahrscheinlich mit einem anderen Planeten kollidieren.
- Lange Kollisionsketten sind weniger wahrscheinlich, weil das Projektil eine so hohe Anfangsgeschwindigkeit benötigt, und es ist weniger wahrscheinlich, dass Läufer mit hoher Geschwindigkeit zurückkehren.
- Die Erde diente der Venus als Vorhut, verlangsamte Projektile im späten Stadium und schickte sie in Richtung Venus. Die Erde akkumulierte höchstens etwa die Hälfte der Projektile, die mit ihr kollidierten.
- Läufer von der Erde kollidieren mit der Venus mit der gleichen Wahrscheinlichkeit, wie sie zur Erde zurückkehren. Aber die Venus behält die Mehrheit ihrer Läufer.
Der Mond
Der zweite Beitrag befasst sich mit dem Mond und seiner Entstehung. Der Titel lautet „ Kollisionsketten zwischen den terrestrischen Planeten. III. Entstehung des Mondes.“ Es wurde auch im Planetary Science Journal veröffentlicht. Der Hauptautor ist Erik Asphaug vom LPL der University of Arizona.
Die vorherrschende Theorie besagt, dass die junge Erde von einem Planeten namens . getroffen wurde Theia vor etwa 4,5 Milliarden Jahren. Die Erde hat einen größeren Kern, als sie für ihre Größe haben sollte, und das kam von Theia. Der Aufprall zerstörte Theia und ein Großteil seiner Masse wurde in eine Umlaufbahn um die Erde geschickt. Schließlich verschmolz es zum Mond.
In diesem Szenario gibt es jedoch einige ungelöste Probleme. Die Kollisionsgeschwindigkeit müsste sehr gering sein und die Isotopenzusammensetzung von Erde und Mond ist nahezu identisch. Ein einziger Aufprall mit geringer Geschwindigkeit würde es nicht erlauben, das gesamte Material so weit zu vermischen, dass die Isotopenzusammensetzungen so ähnlich sind.
„Das Standardmodell für den Mond erfordert relativ gesehen eine sehr langsame Kollision“, sagte Asphaug, „und es erzeugt einen Mond, der hauptsächlich aus dem auftreffenden Planeten besteht, nicht aus der Proto-Erde, was ein großes Problem darstellt, da der Mond eine Isotopenchemie, die fast identisch mit der der Erde ist.“
„Die Kollision von „Graze-and-Merge“ führt einen Bruchteil von Theias Mantel in die Umlaufbahn, während die Erde den größten Teil von Theia und seiner Dynamik akkretiert“, schreiben die Autoren in ihrem Papier. „Ein Mond, der hauptsächlich aus Theias Mantel stammt, wird jedoch, wie es der Drehimpuls vorgibt, durch die Tatsache herausgefordert, dass O, Ti, Cr, radiogenes W und andere Elemente in Erd- und Mondgestein nicht zu unterscheiden sind.“
Der Mond gilt als Folge eines riesigen Einschlags. Einer neuen Theorie zufolge gab es zwei riesige Einschläge hintereinander, die etwa 1 Million Jahre voneinander getrennt waren und an denen eine marsgroße 'Theia' und eine Proto-Erde beteiligt waren. In diesem Bild wird die vorgeschlagene Hit-and-Run-Kollision in 3D simuliert und etwa eine Stunde nach dem Aufprall gezeigt. Eine Schnittansicht zeigt die Eisenkerne. Theia (oder das meiste davon) entkommt kaum, daher ist eine Folgekollision wahrscheinlich. Bildquelle: A. Emsenhuber/Universität Bern/Universität München.
Im neuen Modell des Teams gibt es nicht eine einzige Kollision, sondern zwei. Wenn Theia mit der Erde kollidiert, bewegt es sich etwas schneller und prallt in einem Hit-and-Run von der Erde ab. Ungefähr eine Million Jahre später kehrt es zurück. Es kollidiert erneut mit der Erde, in einem riesigen Aufprall ähnlich dem bestehenden Modell.
„Der Doppeleinschlag bringt die Dinge viel mehr durcheinander als ein einzelnes Ereignis“, sagte Asphaug, „was die isotopische Ähnlichkeit von Erde und Mond erklären könnte und auch, wie die zweite, langsame, verschmelzende Kollision überhaupt stattgefunden hätte.“
Diese Abbildung aus der Studie illustriert das Hit-and-Run- und Return-Szenario für die Entstehung des Mondes. Auf der linken Seite ist der erste Hit-and-Run-Aufprall. Schließlich begegnen sich Erde und Theis in etwa einer Million Jahren wieder und verschmelzen zu einer Scheibe. Die Erde und der Mond bilden sich aus dieser homogenisierten Scheibe. Dieses Modell erklärt die nahezu identische Isotopenzusammensetzung von Erde und Mond. Bildquelle: Asphaug et al. 2021.
Dieses neue Modell von Hit-and-Run-Einschlägen und Kollisionsketten hat das Potenzial, einige rätselhafte Dinge über die terrestrischen Planeten zu erklären. Wenn das standardmäßige Akkretionsmodell richtig ist, warum sind die inneren Planeten dann so unterschiedlich? Warum hat die Venus keinen eigenen Mond? Warum hat die Erde einen starken magnetischen Schild und die Venus einen so schwachen?
Asphaug sagt, ihre Forschung hilft zu erklären, wie diese Unterschiede entstanden sein könnten.
„Unserer Ansicht nach hätte die Erde den größten Teil ihres Materials bei Kollisionen angesammelt, die frontal getroffen wurden oder die langsamer waren als die der Venus“, sagte er. „Schiefere und schnellere Kollisionen mit der Erde wären bevorzugt auf der Venus gelandet.“
Der gesunde Menschenverstand legt nahe, dass die Erde mehr Material aus dem äußeren Sonnensystem haben würde, weil sie ihr näher ist als die Venus. Aber diese Forschung legt das Gegenteil nahe. Projektile aus dem äußeren Sonnensystem würden sich wahrscheinlich schneller bewegen und würden daher in einem Hit-and-Run von der Erde abprallen. Viele dieser Projektile hätten ihren Weg zur Venus gefunden und wären ein Teil dieses Planeten geworden. Die Unterschiede der Venus könnten also auf ihre größere Komponente des Materials des äußeren Sonnensystems zurückgeführt werden.
„Man könnte meinen, dass die Erde mehr aus Materie des äußeren Systems besteht, weil sie näher am äußeren Sonnensystem liegt als die Venus. Aber mit der Erde in dieser Vorhut ist es tatsächlich wahrscheinlicher, dass die Venus Material aus dem äußeren Sonnensystem ansammelt“, sagte Asphaug.
Diese Forschung könnte auch erklären, warum die Venus keinen Mond hat, obwohl diese Hypothese es wahrscheinlicher macht, dass der Planet einen bekommt. 'Obwohl die Venus nach unserer Hypothese wahrscheinlicher als die Erde einen massiven Satelliten erworben hat, ist es wahrscheinlicher, dass sie auch einen verloren hat', schreiben die Autoren. 'Aus dem gleichen Grund, aus dem die Venus im Vergleich zur Erde einen größeren Teil ihrer Läufer reakkretiert, reakkretiert sie auch einen größeren Teil ihrer riesigen Aufpralltrümmer, von denen sie für ein bestimmtes Projektil mehr produziert.' Da die Umlaufbahn der Venus kleiner als die der Erde ist, kollidieren die Einschlagstrümmer früher damit. All diese zurückkehrenden Trümmer könnten jeden natürlichen Satelliten, den die Venus erworben hat, erodieren oder sogar zerstören.
Insgesamt deutet diese Forschung auf eine größere Vernetzung zwischen den terrestrischen Planeten hin. Ein besseres Verständnis der Geologie, Schichtung und Erstarrung des Mondes könnte helfen, das neue Modell zu bestätigen. So könnten Proben von der Venus an die Oberfläche kommen.
Aber das liegt noch in weiter Ferne.
Mehr:
- Pressemitteilung: Erde und Venus sind als wilde Planeten aufgewachsen
- Papier: Kollisionsketten zwischen den terrestrischen Planeten. II. Eine Asymmetrie zwischen Erde und Venus
- Papier: Kollisionsketten zwischen den terrestrischen Planeten. III. Entstehung des Mondes
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