Astronomowie dowiedzieli się więcej o tym, jak powstał Merkury

Naukowcy chcąc dowiedzieć się jak powstał Merkury, odkryli, że mógł on narodzić się w wyniku zderzenia dwóch ciał niebieskich o podobnej masie, które istniały w początkach Układu Słonecznego.

To jak powstał Merkury od lat stanowi zagadkę dla astronomów. Pierwsza planeta od Słońca ma nieproporcjonalnie duże metaliczne jądro – stanowiące około 70 porc. jej masy – i stosunkowo niewielki płaszcz skalny. Do tej pory naukowcy zakładali, że Merkury utracił znaczną część swojej skorupy i płaszcza w wyniku zderzenia z większym ciałem niebieskim w swojej przeszłości. Jednak symulacje wskazują, że tego typu zderzenia między ciałami o bardzo różnej masie są niezwykle rzadkie.

W ramach nowego badania, naukowcy z São Paulo State University i National Observatory w Brazylii, pod kierownictwem Patricka Franco, skupili się na alternatywnym możliwym wyjaśnieniu tego, jak powstał Merkury, opartym na zdarzeniu, które było znacznie częstsze we wczesnym Układzie Słonecznym – zderzeniu ciał o podobnej masie. Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie „Nature Astronomy”.

„Dzięki symulacji odkryliśmy, że powstanie Merkurego nie wymagało żadnych rzadkich zdarzeń. Jego skład można wyjaśnić poprzez zderzenie dwóch protoplanet o podobnej masie. Jest to znacznie bardziej prawdopodobny scenariusz z punktu widzenia statystyki i dynamiki. Nasza praca opiera się na poprzednich symulacjach wskazujących, że zderzenia między ciałami o różnej wielkości były niezwykle rzadkimi zdarzeniami. Kolizje obiektów o podobnej masie były znacznie częstsze, a celem badania było właśnie sprawdzenie czy zderzenie tego typu mogłyby doprowadzić do powstania planety o cechach obserwowanych w przypadku Merkurego” – mówi Patrick Franco z National Observatory w Brazylii.

To potencjalne zderzenie miało miejsce na stosunkowo późnym etapie formowania się Układu Słonecznego, kiedy ciała skaliste o podobnych rozmiarach rywalizowały o przestrzeń w wewnętrznych obszarach, bliżej Słońca.

„Obiekty zamieszkujące wczesny Układ Słoneczny oddziaływały na siebie grawitacyjnie, zakłócały swoje orbity, a nawet zderzały się, do czasu, aż pozostały tylko dobrze zdefiniowane i stabilne konfiguracje orbitalne, które obserwujemy dzisiaj” – wyjaśnia Patrick Franco.

Aby odtworzyć ten hipotetyczny scenariusz, naukowcy wykorzystali metodę numeryczną zwaną „wygładzoną hydrodynamiką cząstek” (smoothed particle hydrodynamics – SPH) SPH). Może on symulować ruch gazów, cieczy i materiałów stałych, zwłaszcza w kontekście związanym ze zderzeniami dużych obiektów.

Metoda ta, szeroko stosowana w kosmologii, astrofizyce i dynamice planetarnej, a także w inżynierii i grafice komputerowej, wykorzystuje funkcję Lagrange’a (Lagrangian function), opracowaną przez Josepha Louisa Lagrange’a. Funkcja ta opisuje ewolucję układu, biorąc pod uwagę sposób, w jaki każdy punkt lub cząstka składowa porusza się indywidualnie w przestrzeni i czasie.

„Dzięki szczegółowym symulacjom wykorzystującym SPH, odkryliśmy, że możliwe jest odtworzenie zarówno całkowitej masy Merkurego, jak i określenie jego niezwykłego stosunku metalu do krzemianu z wysoką precyzją. Margines błędu modelu wyniósł mniej niż 5 proc.” – twierdzi Patrick Franco.

Jak wskazują astronomowie, analizy te pomagają lepiej zrozumieć, jak powstał Merkury i wyjaśnić, dlaczego ma on niską masę całkowitą pomimo dużego metalicznego jądra i dlaczego otacza je tylko cienka warstwa płaszcza skalnego. 

„Założyliśmy, że Merkury początkowo miał podobny skład do innych planet skalistych w Układzie Słonecznym, ale zderzenie spowodowało utratę nawet 60 proc. pierwotnego płaszcza, co tłumaczy jego zwiększoną metaliczność” – tłumaczy Patrick Franco.

„W poprzednich scenariuszach, opisujących jak powstał Merkury, materiał oderwany podczas zderzenia zostawał ponownie wchłonięty przez samą planetę. Gdyby tak było, Merkury nie wykazywałby obecnej dysproporcji między jądrem a płaszczem. Jednak w proponowanym przez nas modelu, w zależności od warunków początkowych, część oderwanego materiału mogła zostać wyrzucona i nigdy nie powrócić, co skutkowało tym, że planeta dziś wygląda tak, jak ją obserwujemy. Jeśli zderzenie miało miejsce na pobliskich orbitach, jedną z możliwości jest to, że wyrzucony materiał został wchłonięty przez inną powstającą planetę, być może Wenus. Jest to hipoteza, która wymaga jeszcze głębszego zbadania” – dodaje.

„Merkury pozostaje najmniej zbadaną planetą w Układzie Słonecznym. Ale to się zmienia. Nowe badania i misje pozwalają lepiej zrozumieć, jak jest zbudowany i jak powstał, a wiele interesujących rzeczy jest jeszcze przed nami” – podsumowuje Patrick Franco.

Emil Gołoś