Wat niet blijft plakken, komt voorbij:met behulp van machine learning en simulaties van gigantische impacts, onderzoekers van het Lunar and Planetary Laboratory ontdekten dat de planeten in de binnenste zonnestelsels waarschijnlijk zijn geboren uit herhaalde hit-and-run botsingen, conventionele modellen van planeetvorming uitdagen.

Planeetvorming - het proces waarbij nette, ronde, verschillende planeten ontstaan ​​uit een kolkende, wervelende wolk van ruige asteroïden en miniplaneten - was waarschijnlijk nog rommeliger en gecompliceerder dan de meeste wetenschappers zouden willen toegeven, volgens nieuw onderzoek onder leiding van onderzoekers van het Lunar and Planetary Laboratory van de Universiteit van Arizona.

De bevindingen dagen de conventionele opvatting uit, waarin botsingen tussen kleinere bouwstenen ervoor zorgen dat ze aan elkaar blijven plakken en, overuren, herhaalde botsingen doen nieuw materiaal aangroeien naar de groeiende babyplaneet.

In plaats daarvan, de auteurs stellen en demonstreren bewijs voor een nieuw "hit-and-run-return"-scenario, waarin pre-planetaire lichamen een groot deel van hun reis door het binnenste zonnestelsel doorbrachten en tegen elkaar botsten en van elkaar afketsten, alvorens elkaar op een later tijdstip weer tegen te komen. Nadat ze waren afgeremd door hun eerste botsing, ze zouden de volgende keer eerder bij elkaar blijven. Stel je een potje biljart voor, terwijl de ballen tot rust komen, in tegenstelling tot het bekogelen van een sneeuwpop met sneeuwballen, en je snapt het idee.

Het onderzoek is gepubliceerd in twee rapporten die verschijnen in het nummer van 23 september van: Het planetaire wetenschappelijke tijdschrift , met één gericht op Venus en Aarde, en de andere op de maan van de aarde. Centraal in beide publicaties, volgens het auteursteam, die werd geleid door planetaire wetenschappen en LPL-professor Erik Asphaug, is het grotendeels niet-erkende punt dat gigantische effecten niet de efficiënte fusies zijn die wetenschappers dachten dat ze waren.

"We vinden dat de meeste gigantische inslagen, zelfs relatief 'trage', zijn hit-and-runs. Dit betekent dat als twee planeten samensmelten, bij een aanrijding moet je ze meestal eerst afremmen, " zei Asphaug. "Om aan gigantische inslagen te denken, bijvoorbeeld de vorming van de maan, als een enkelvoudige gebeurtenis is waarschijnlijk verkeerd. Waarschijnlijker waren er twee aanrijdingen achter elkaar."

Een implicatie is dat Venus en de aarde heel verschillende ervaringen zouden hebben gehad in hun groei als planeten, ondanks dat ze directe buren zijn in het binnenste zonnestelsel. In deze krant, onder leiding van Alexandre Emsenhuber, die dit werk deed tijdens een postdoctoraal mandaat in het laboratorium van Asphaug en nu aan de Ludwig Maximilian Universiteit in München zit, de jonge aarde zou hebben gediend om in elkaar lopende planetaire lichamen te vertragen, waardoor ze uiteindelijk meer kans hebben om in botsing te komen met en vast te houden aan Venus.

"We denken dat tijdens de vorming van het zonnestelsel, de vroege aarde fungeerde als een voorhoede voor Venus, ' zei Emsenhuber.

Het zonnestelsel is wat wetenschappers een zwaartekrachtbron noemen, het concept achter een populaire attractie op wetenschappelijke tentoonstellingen. Bezoekers gooien een munt in een trechtervormige zwaartekrachtput, en kijk hoe hun geld verschillende banen voltooit voordat het in het middelste gat valt. Hoe dichter een planeet bij de zon staat, hoe sterker de zwaartekracht die planeten ervaren. Dat is de reden waarom de binnenplaneten van het zonnestelsel waarop deze studies waren gericht - Mercurius, Venus, Aarde en Mars - draaien sneller om de zon dan, zeggen, Jupiter, Saturnus en Neptunus. Als resultaat, hoe dichter een object bij de zon komt, hoe waarschijnlijker het is om daar te blijven.

Dus toen een in elkaar lopende planeet de aarde raakte, het was minder waarschijnlijk dat het aan de aarde bleef plakken, en in plaats daarvan meer kans om op Venus te eindigen, Asphaug uitgelegd.

"De aarde fungeert als een schild, een eerste stop bieden tegen deze inslaande planeten, ' zei hij. 'Waarschijnlijker wel dan niet, een planeet die van de aarde terugkaatst, zal Venus raken en ermee samensmelten."

Emsenhuber gebruikt de analogie van een bal die van een trap stuitert om het idee te illustreren van wat het voorhoedeeffect aandrijft:een lichaam dat van het buitenste zonnestelsel binnenkomt, is als een bal die van een trap afstuitert waarbij elke stuitering een botsing met een ander lichaam vertegenwoordigt.

"Onderweg, de bal verliest energie, en je zult merken dat het altijd naar beneden zal stuiteren, nooit boven, "zei hij. "Daarom, het lichaam kan het binnenste zonnestelsel niet meer verlaten. Je gaat meestal alleen naar beneden, in de richting van Venus, en een botslichaam dat in botsing komt met Venus is best gelukkig in het binnenste zonnestelsel te blijven, dus op een gegeven moment zal het Venus opnieuw raken."

De aarde heeft niet zo'n voorhoede om haar in elkaar lopende planeten te vertragen. Dit leidt tot een verschil tussen de twee planeten van vergelijkbare grootte die conventionele theorieën niet kunnen verklaren, argumenteren de auteurs.

"Het heersende idee was dat het niet echt uitmaakt of planeten botsen en niet meteen samensmelten, omdat ze elkaar op een gegeven moment weer gaan tegenkomen en dan samensmelten, "Zei Emsenhuber. "Maar dat is niet wat we vinden. We merken dat ze uiteindelijk steeds vaker deel gaan uitmaken van Venus, in plaats van terug te keren naar de aarde. Het is gemakkelijker om van de aarde naar Venus te gaan dan andersom."

Om al deze planetaire banen en botsingen te volgen, en uiteindelijk hun fusies, het team gebruikte machine learning om voorspellende modellen te verkrijgen van 3D-simulaties van gigantische impacts. Het team gebruikte deze gegevens vervolgens om snel de baanevolutie te berekenen, inclusief hit-and-run en samenvoegen van botsingen, om de vorming van terrestrische planeten in de loop van 100 miljoen jaar te simuleren. In het tweede blad de auteurs stellen hun hit-and-run-return-scenario voor de vorming van de maan voor en demonstreren, het herkennen van de primaire problemen met het standaard gigantische impactmodel.

"Het standaardmodel voor de maan vereist een zeer langzame botsing, relatief gezien, " Asphaug zei, "en het creëert een maan die voornamelijk bestaat uit de inslaande planeet, niet de proto-aarde, wat een groot probleem is, aangezien de maan een isotopenchemie heeft die bijna identiek is aan die van de aarde."

In het nieuwe scenario van het team, een protoplaneet ter grootte van Mars raakt de aarde, zoals in het standaardmodel, maar is een beetje sneller, dus het blijft doorgaan. Het keert over ongeveer 1 miljoen jaar terug voor een gigantische impact die veel lijkt op het standaardmodel.

"De dubbele impact vermengt dingen veel meer dan een enkele gebeurtenis, " Asphaug zei, "wat de isotopische gelijkenis van aarde en maan zou kunnen verklaren, en ook hoe de tweede, traag, samenvoegende botsing zou zijn gebeurd in de eerste plaats."

De onderzoekers denken dat de resulterende asymmetrie in hoe de planeten werden samengesteld de weg wijst naar toekomstige studies over de diversiteit van terrestrische planeten. Bijvoorbeeld, we begrijpen niet hoe de aarde eindigde met een magnetisch veld dat veel sterker is dan dat van Venus, of waarom Venus geen maan heeft.

Hun onderzoek wijst op systematische verschillen in dynamiek en compositie, volgens Asphaug.

"In ons zicht, De aarde zou het grootste deel van zijn materiaal hebben opgehoopt door botsingen die frontale treffers waren, of anders langzamer dan die ervaren door Venus, " zei hij. "Collisies op de aarde die meer schuin waren en met een hogere snelheid zouden bij voorkeur op Venus zijn beland."

Dit zou een vooroordeel creëren waarin, bijvoorbeeld, protoplaneten van het buitenste zonnestelsel, bij hogere snelheid, zou bij voorkeur naar Venus zijn geaccreteerd in plaats van naar de aarde. Kortom, Venus zou kunnen zijn samengesteld uit materiaal dat voor de aarde moeilijker te verkrijgen was.

"Je zou denken dat de aarde meer bestaat uit materiaal uit het buitenste systeem omdat het dichter bij het buitenste zonnestelsel staat dan Venus. Maar eigenlijk, met de aarde in deze voorhoederol, het maakt het eigenlijk waarschijnlijker dat Venus materiaal aan de buitenkant van het zonnestelsel aangroeit, ' zei Asphaug.