加州理工學(xué)院的一項新研究表明，巨大撞擊可以極大地降低行星的內(nèi)部壓力，這一發(fā)現(xiàn)可能會顯著改變目前行星形成的模式。

這些撞擊，例如被認(rèn)為在大約45億年前導(dǎo)致地球衛(wèi)星月球形成的撞擊，可能會導(dǎo)致內(nèi)核和地幔壓力的隨機波動，這將解釋地球地幔中一些令人費解的地球化學(xué)特征。以前的研究，錯誤地假設(shè)行星內(nèi)部壓力僅僅是行星質(zhì)量的函數(shù)，因此它隨著行星的增長而不斷增加。

新研究表明，在巨大撞擊后，壓力可以暫時改變，隨著撞擊后星體的恢復(fù)，壓力會隨著時間的延長而增加。在發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)步》期刊上研究主要作者，加州理工大學(xué)博士后研究員西蒙·洛克(Simon Lock)說表示：這一發(fā)現(xiàn)對地球的化學(xué)結(jié)構(gòu)和隨后演化有重大影響。行星系統(tǒng)通常從一個塵埃圓盤開始，慢慢地堆積成巖石物體。這個過程的主要階段結(jié)束是行星大小物體之間的高能碰撞，因為它們聚集在一起形成最終的行星。

這些撞擊的沖擊能量可以蒸發(fā)行星大部分，甚至，就像人們認(rèn)為形成月球的撞擊所發(fā)生那樣，將兩個碰撞的物體暫時變成一個旋轉(zhuǎn)行星物質(zhì)圓環(huán)，稱為“synestia”，隨后冷卻回一個或多個球形物體。研究人員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到1.1地球質(zhì)量之間天體的碰撞，并發(fā)現(xiàn)在碰撞之后，內(nèi)部壓力比預(yù)期的要低得多。研究發(fā)現(xiàn)，壓力的下降是由于多種因素的結(jié)合：碰撞帶來的快速旋轉(zhuǎn)。

旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生了離心力，本質(zhì)上是將物質(zhì)推離自旋軸；以及熱的，部分低密度蒸發(fā)物體。還沒有直接觀測到類地行星的形成，事實證明，行星的物理性質(zhì)在因碰撞而增長的過程中可能會發(fā)生巨大變化。對行星形成的新觀點比以前模型更加多變和充滿活力，這為對以前的數(shù)據(jù)進(jìn)行新解釋打開了大門。最終的結(jié)果是，巨大撞擊可以顯著降低行星內(nèi)部壓力，形成月球的撞擊之后，壓力可能是今天地球壓力的一半。如果是真的，這一發(fā)現(xiàn)可能有助于調(diào)和地球地幔的地球化學(xué)和行星形成物理模型之間長期存在的矛盾。

隨著原生地球的成長，與之碰撞的每一個物體都將金屬送入地幔。每次撞擊后，金屬都會從地幔中吸收少量其他元素，然后隨著這些元素一起下沉到地核。溶解在金屬中每一種元素的量，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過程中的地幔壓力。今天對地球地幔中金屬的研究表明，這種吸收過程發(fā)生在今天地幔中部發(fā)現(xiàn)的壓力下。然而，巨大撞擊的模型顯示，這種撞擊融化了大部分地幔，因此地幔應(yīng)該記錄了更高的壓力，相當(dāng)于現(xiàn)在看到核心上的壓力。

地球化學(xué)觀測和物理模型之間的這種異常，是科學(xué)家們長期尋求解釋的一個問題。通過顯示巨大撞擊后壓力比之前認(rèn)為的要低，本研究可能已經(jīng)找到了解決這個難題的物理機制，接下來研究人員計劃使用結(jié)果來計算在形成過程中壓力的隨機變化如何影響行星化學(xué)結(jié)構(gòu)。同時還將繼續(xù)研究行星如何從巨大撞擊的創(chuàng)傷中恢復(fù)過來，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第一個地殼是如何形成，有什么影響？這是一個有待探索的全新領(lǐng)域。

博科園｜研究/來自：加州理工學(xué)院

參考期刊《科學(xué)進(jìn)展》

DOI: 10.1126/sciadv.aAV3746

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