Een nieuwe studie van Caltech toont aan dat gigantische inslagen de interne druk van planeten drastisch kunnen verlagen, een bevinding die het huidige model van planetaire vorming aanzienlijk zou kunnen veranderen.

de effecten, zoals degene waarvan wordt gedacht dat het de vorming van de maan van de aarde ongeveer 4,5 miljard jaar geleden heeft veroorzaakt, zou willekeurige fluctuaties in kern- en manteldruk kunnen veroorzaken die enkele raadselachtige geochemische handtekeningen in de aardmantel zouden verklaren.

"Eerdere studies hebben ten onrechte aangenomen dat de interne druk van een planeet gewoon een functie is van de massa van de planeet, en dus neemt het voortdurend toe naarmate de planeet groeit. Wat we hebben laten zien is dat de druk tijdelijk kan veranderen na een grote impact, gevolgd door een langere termijn toename van de druk naarmate het lichaam na de impact herstelt. Deze bevinding heeft grote implicaties voor de chemische structuur van de planeet en de daaropvolgende evolutie, " zegt Simon Slot, postdoctoraal onderzoeker bij Caltech en hoofdauteur van een paper waarin het nieuwe model wordt uitgelegd dat is gepubliceerd door wetenschappelijke vooruitgang op 4 sept.

Lock schreef de paper samen met collega Sarah Stewart (Ph.D. '02), hoogleraar planetaire wetenschappen aan de Universiteit van Californië, Davis, een MacArthur-fellow uit 2018, en een alumna van de Caltech Division of Geological and Planetary Sciences.

Planetaire systemen beginnen meestal als een schijf van stof die langzaam aangroeit tot rotsachtige lichamen. Het einde van de hoofdfase van dit proces wordt gekenmerkt door botsingen met hoge energie tussen lichamen ter grootte van een planeet terwijl ze samensmelten om de uiteindelijke planeten te vormen.

De schokenergie van deze inslagen kan aanzienlijke delen van een planeet doen verdampen en zelfs, zoals men denkt te zijn gebeurd met de inslag die de maan vormde, verander tijdelijk de twee botsende lichamen in een roterende donut van planetair materiaal dat bekend staat als een "synestia, " die later weer afkoelt tot een of meer bolvormige lichamen.

Lock en Stewart gebruikten rekenmodellen van gigantische inslagen en planetaire structuren om botsingen te simuleren die lichamen vormden met massa's tussen 0,9 en 1,1 aardmassa's en ontdekten dat, direct na een aanrijding hun interne druk was veel lager dan was verwacht. Ze ontdekten dat de afname van de druk te wijten was aan een combinatie van factoren:de snelle rotatie die door de botsing werd veroorzaakt, die een middelpuntvliedende kracht opwekte die tegen de zwaartekracht in werkte, in wezen materiaal wegduwen van de spin-as; en de lage dichtheid van de hete, gedeeltelijk verdampt lichaam.

"We hebben geen directe waarnemingen van de groei van aardachtige planeten. Het blijkt dat de fysieke eigenschappen van een planeet enorm kunnen variëren tijdens hun groei door botsingen. Onze nieuwe kijk op planeetvorming is veel variabeler en energieker dan eerdere modellen die opent de deur voor nieuwe verklaringen van eerdere gegevens, ' zegt Steward.

Het uiteindelijke resultaat is dat grote inslagen de interne druk van een planeet aanzienlijk kunnen verlagen. De druk direct na een inslag zoals die waarvan wordt gedacht dat hij de maan heeft gevormd, zou de helft van die van de huidige aarde kunnen zijn.

Als het waar is, de bevinding zou kunnen helpen bij het verzoenen van een al lang bestaande tegenstelling tussen de geochemie van de aardmantel en fysieke modellen van planeetvorming.

Toen de proto-aarde groeide, elk object dat ermee in botsing kwam, leverde metaal in de mantel. Na elke impact, het metaal absorbeerde kleine hoeveelheden andere elementen uit de mantel, en zonk toen naar de kern - die elementen meeslepend. De hoeveelheid van elk element dat in het metaal oploste werd bepaald, gedeeltelijk, door de interne druk van de aarde. Als zodanig, de chemische samenstelling van de mantel van vandaag registreert de manteldruk tijdens de vorming van de planeet.

Studies van de metalen in de aardmantel van tegenwoordig geven aan dat dit absorptieproces plaatsvond bij drukken die tegenwoordig in het midden van de aardmantel worden aangetroffen. Echter, gigantische impactmodellen laten zien dat dergelijke impacts het grootste deel van de mantel doen smelten, en dus zou de mantel een veel hogere druk moeten hebben geregistreerd - gelijk aan wat we nu net boven de kern zien. Deze anomalie tussen de geochemische waarneming en fysieke modellen is er een die wetenschappers lang hebben geprobeerd te verklaren.

Door aan te tonen dat de druk na gigantische inslagen lager was dan eerder werd gedacht, Lock en Stewart hebben misschien het fysieke mechanisme gevonden om dit raadsel op te lossen.

Volgende, Lock en Stewart zijn van plan hun resultaten te gebruiken om te berekenen hoe stochastische drukveranderingen tijdens de vorming de chemische structuur van planeten beïnvloeden. Lock zegt dat ze ook zullen blijven bestuderen hoe planeten herstellen van het trauma van gigantische inslagen "We hebben aangetoond dat de druk op planeten dramatisch kan toenemen naarmate een planeet herstelt, maar welk effect heeft dat op hoe de mantel stolt of hoe de eerste aardkorst is gevormd? Dit is een heel nieuw gebied dat nog moet worden verkend, " hij zegt.

Het artikel is getiteld "Reuzeninslagen veranderen stochastisch de interne druk van terrestrische planeten."