行星碰撞可以降低行星的內(nèi)部壓力

加州理工學院的一項新研究表明，巨大的撞擊可以大大降低行星的內(nèi)部壓力，這一發(fā)現(xiàn)可能會顯著改變當前的行星形成模型。

這些影響，例如大約45億年前被認為導致地球月球形成的影響，可能會引起核心和地幔壓力的隨機波動，這可以解釋地球地幔中令人費解的地球化學特征。

“以前的研究錯誤地認為行星的內(nèi)部壓力只是行星質(zhì)量的函數(shù)，因此隨著行星的增長它會不斷增加。我們已經(jīng)證明，壓力可以在受到重大影響后暫時改變，其次是隨著沖擊后的身體恢復，壓力會長期增加。這一發(fā)現(xiàn)對地球的化學結(jié)構(gòu)和隨后的進化產(chǎn)生了重大影響，“加州理工學院博士后研究員，一篇論文的主要作者，解釋新模型的Simon Lock說。由Science Advances于9月4日出版。

Lock與同事Sarah Stewart(博士'02)，加州大學戴維斯分校行星科學教授，2018年麥克阿瑟研究員，以及加州理工學院地質(zhì)和行星科學部門的校友共同撰寫了論文。

行星系統(tǒng)通常以灰塵盤的形式開始，緩慢地聚集到巖石體中。這個過程的主要階段結(jié)束的特點是行星大小的物體之間的高能碰撞，因為它們合并形成最終的行星。

這些沖擊的沖擊能量可以使行星的大部分區(qū)域蒸發(fā)，甚至可以認為，在形成月球的沖擊中發(fā)生這種沖擊，將兩個碰撞體暫時轉(zhuǎn)變成一個被稱為“synestia”的旋轉(zhuǎn)環(huán)形行星材料。后來冷卻回一個或多個球體。

洛克和斯圖爾特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和1.1地球質(zhì)量之間的物體的碰撞，并發(fā)現(xiàn)碰撞后，它們的內(nèi)部壓力遠低于預期。他們發(fā)現(xiàn)壓力的降低是由多種因素共同作用的結(jié)果：碰撞產(chǎn)生的快速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生了一種抵抗重力的離心力，本質(zhì)上是推動材料遠離旋轉(zhuǎn)軸; 和熱的，部分蒸發(fā)的身體的低密度。

“我們沒有直接觀察到類地行星的增長。事實證明，行星的物理特性在碰撞生長過程中會發(fā)生巨大的變化。我們對行星形成的新觀點比以前的模型更加變化和充滿活力。為以前數(shù)據(jù)的新解釋打開了大門，“斯圖爾特說。

最終結(jié)果是，主要影響可以顯著降低行星的內(nèi)部壓力。像一個被認為形成月球的撞擊之后的壓力可能是當今地球的一半。

如果這是真的，這一發(fā)現(xiàn)可能有助于調(diào)和地球地幔地球化學與行星形成物理模型之間長期存在的矛盾。

隨著原始地球的增長，與之相撞的每個物體都將金屬輸送到地幔中。每次撞擊后，金屬從地幔中吸收少量其他元素，然后沉入巖心 - 用它拖動這些元素。溶解到金屬中的每種元素的量部分地由地球的內(nèi)部壓力決定。因此，今天地幔的化學成分記錄了行星形成期間的地幔壓力。

今天對地幔中金屬的研究表明，這種吸收過程發(fā)生在今天地幔中部的壓力下。然而，巨大的撞擊模型表明，這種撞擊會使大部分地幔融化，因此地幔應該記錄出更高的壓力 - 相當于我們現(xiàn)在在核心上方看到的壓力。地球化學觀測和物理模型之間的這種異常是科學家長期以來試圖解釋的。

通過顯示巨大影響后的壓力低于先前的預期，洛克和斯圖爾特可能已經(jīng)找到了解決這一難題的物理機制。

接下來，洛克和斯圖爾特計劃使用他們的結(jié)果來計算地層壓力的隨機變化如何影響行星的化學結(jié)構(gòu)。洛克說他們還將繼續(xù)研究行星如何從巨大的撞擊中恢復過來“我們已經(jīng)證明，隨著行星的恢復，行星的壓力會急劇增加，但這對地幔如何凝固或地球的第一次影響有何影響?地殼形成?這是一個尚未開發(fā)的全新領(lǐng)域，“他說。