Фізики оцінили втрати атмосфери землеподібних планет у зіткненнях з іншими тілами

Фізики провели 259 тривимірних симуляцій зіткнення пари твердих планетоподібних тіл навколоземної маси і отримали функцію, яка наближено пов'язує параметри таких ударінь з часткою втраченої атмосфери. За словами авторів, цей результат можна буде вбудовувати в моделі освіти планет і використовувати для аналізу сценаріїв ударного формування Місяця на основі даних про історію атмосфери Землі. Робота опублікована в.

Вважається, що землеподібні планети утворюються з десятків планетезималей, які народжуються з протопланетного диска і стикаються один з одним. Одне з таких зіткнень, зокрема, могло призвести до утворення Місяця з молодої Землі і гіпотетичної планети Тейя.

Серед наслідків ударінь можна виділити втрату газової оболонки (повну або часткову) небесного тіла - ця подія може вплинути на підсумковий склад атмосфери планети і, імовірно, частково пояснити спостережувані відмінності в складах атмосфер схожих планет в одній і тій же системі. Проте характер такого впливу остаточно не вивчений - до недавнього часу дослідження в основному зупинялися на одномірних моделях, які, крім того, обмежувалися лобовим зіткненням або розглядали занадто малу кількість сценаріїв для побудови прогнозів в широкому діапазоні параметрів.

Вчені з Великобританії і США під керівництвом Джейкоба Кегеррейса (Jacob Kegerreis) з англійського Інституту обчислювальної космології змоделювали зіткнення, подібні до того, в якому міг утворитися Місяць, і простежили за впливом таких ударів на втрату атмосфери. В якості мети і тіла, що налітає, виступали кулясті об'єкти, що містять залізне ядро (на яке припадало 30 відсотків маси) і мантію з гірських порід (несучу решту 70 відсотків маси). У деяких симуляціях також брали участь однорідні тіла (повністю залізні або кам'янисті).

Об'єкт-мета (а в ряді випадків і тіло, що налітає) додатково володів атмосферою, маса якої становила соту частку від загальної маси ядра і мантії. Для аналізу поведінки атмосфери у високій роздільній здатності вчені використовували тривимірні симуляції у високій роздільній здатності на основі рівнянь гравітації та гідродинаміки. У них брало участь по 10 мільйонів атмосферних частинок у розрахунку на одну масу Землі у випадках з великими масами стикаються тіл і на 10^-0,5 (близько 0,316) мас Землі - у випадках з менш масивними учасниками ударіння.

Всього дослідники провели 259 симуляцій, які розділили на основні три групи. У першому наборі сценаріїв маса мети і налітаючого об'єкта змінювалися в діапазоні 10^-1,25-10^0,25 (тобто 0,056-1,778) мас Землі. За швидкістю випадки ділилися на повільні - в них відносна швидкість тіла дорівнювала взаємній другій космічній швидкості системи (тобто тій, яка необхідна кожному з тіл, щоб подолати тяжіння іншого), і швидкі - в них тіло, що налітає, рухалося втричі швидше. Крім того, вчені моделювали ситуації лобового зіткнення - коли тіло, що налітало, рухалося у напрямку на центр цілі, і зачіпає, в якому прицільний параметр становив частку в 0,7 від суми радіусів тіл.

У другій групі симуляцій для підмножини пар ціль-налітаюче тіло фізики докладніше досліджували залежність результату від відносної швидкості тіла (були додані сценарії з проміжним значенням, в яких вона вдвічі перевищувала взаємну другу космічну швидкість) і від прицільного параметра (додатково до 0 і 70 відсотків досліджувалися значення в 30, 50 і 90 відсотків від суми радіусів).

У третьому наборі сценаріїв при фіксованих масі цілі (одна маса Землі), прицільному параметрі (70 відсотків суми радіусів) і швидкості (потроєна взаємна друга космічна) автори замінювали один або обидва об'єкти на однорідні (повністю кам'яні або повністю залізні) тіла такої ж маси.

За підсумками кожної з симуляцій автори обчислювали частку атмосфери, яку небесне тіло втрачає в результаті зіткнення, а потім досліджували залежність цього числа від мінливих параметрів моделі - прицільного параметра, швидкості налітаючого тіла, мас і щільностей цілі і налітаючого тіла.

В результаті вчені змогли наближено представити втрачену частку атмосфери у вигляді ступеневої функції, яка залежить від ставлення швидкості налітаючого тіла до другої космічної швидкості, ставлення маси налітаючого тіла до повної маси системи, ставлення щільностей тіл і частки взаємодіючої (безпосередньо бере участь у співударінні) маси, залежної від прицільного параметра. За словами авторів, у майбутніх дослідженнях виявлені закономірності можна буде вбудовувати у вже існуючі моделі формування планет.

Крім того, фізики відзначили, що в найбільш близьких до різних версій утворення Місяця сценаріях протоземля могла втратити близько 10-60 відсотків атмосфери. Надалі за допомогою цих прогнозів, ймовірно, можна буде уточнити моделі формування супутника на основі даних про історію земної атмосфери.

Раніше ми розповідали про те, як комп'ютерне моделювання «вибухового» народження Місяця пояснило схожість її ізотопного складу з земним і як вчені змогли відтворити спостережуване нахилення орбіти супутника до екватора Землі в такому сценарії.