W latach 80. geofizycy dokonali zaskakującego odkrycia: głęboko w pobliżu centrum Ziemi odkryto dwie plamy niezwykłego materiału wielkości kontynentu, jedną pod kontynentem afrykańskim, a drugą pod Oceanem Spokojnym. Każda plamka jest dwa razy większa od Księżyca i prawdopodobnie składa się z pierwiastków w innych proporcjach niż otaczający ją płaszcz.
Skąd wzięły się te dziwne plamy – formalnie znane jako duże prowincje o niskiej prędkości (LLVP) –? Nowe badania prowadzone przez badaczy z Caltech sugerują, że są to pozostałości starożytnej planety, która miliardy lat temu gwałtownie zderzyła się z Ziemią w wyniku tego samego gigantycznego uderzenia, które doprowadziło do powstania naszego Księżyca.
Badanie, opublikowane 1 listopada w czasopiśmie Nature, proponuje także odpowiedź na inną zagadkę nauk planetarnych. Naukowcy od dawna stawiali hipotezę, że Księżyc powstał w następstwie gigantycznego zderzenia Ziemi z mniejszą planetą zwaną Theia, jednak nigdy nie znaleziono żadnych śladów Thei w pasie asteroid ani w meteorytach. Nowe badanie sugeruje, że większość Thei została wchłonięta przez młodą Ziemię, tworząc LLVP, podczas gdy pozostałości po uderzeniu połączyły się w Księżyc.
Badania prowadził Qian Yuan, OK Earl Postdoctoral Scholar Research Associate w laboratoriach zarówno Paula Asimowa (MS ’93, PhD ’97), Eleanor, jak i Johna R. McMillana, profesora geologii i geochemii; oraz Michael Gurnis, profesor geofizyki Johna E. i Hazel S. Smits oraz przewodniczący kierownictwa Clarence R. Allen, dyrektor Laboratorium Sejsmologicznego Caltech i dyrektor Akademii Schmidta ds. Inżynierii Oprogramowania w Caltech.
Naukowcy po raz pierwszy odkryli LLVP, mierząc fale sejsmiczne przemieszczające się przez Ziemię. Fale sejsmiczne przemieszczają się z różną prędkością przez różne materiały, a w latach 80. XX wieku pojawiły się pierwsze wskazówki dotyczące wielkoskalowych trójwymiarowych zmian głęboko w strukturze Ziemi. W najgłębszym płaszczu wzór fal sejsmicznych jest zdominowany przez sygnatury dwóch dużych struktur w pobliżu jądra Ziemi, które według badaczy zawierają niezwykle wysoki poziom żelaza. Ta wysoka zawartość żelaza oznacza, że regiony są gęstsze niż ich otoczenie, co powoduje spowolnienie przepływających przez nie fal sejsmicznych, co prowadzi do nazwy „duże prowincje o niskiej prędkości”.
Yuan, z wykształcenia geofizyk, uczestniczył w seminarium na temat powstawania planet prowadzonym przez Michaiła Zołotowa, profesora na Uniwersytecie Stanowym w Arizonie, w 2019 r. Zołotow przedstawił hipotezę uderzenia giganta, natomiast Qian zauważył, że Księżyc jest stosunkowo bogaty w żelazo. Zołotow dodał, że nie znaleziono żadnych śladów impaktora, który musiał zderzyć się z Ziemią.
„Zaraz po tym, jak Michaił powiedział, że nikt nie wie, gdzie teraz znajduje się impaktor, przeżyłem „moment eureki” i zdałem sobie sprawę, że bogaty w żelazo impaktor mógł przekształcić się w plamy w płaszczu” – mówi Yuan.
Yuan współpracował z interdyscyplinarnymi współpracownikami, aby modelować różne scenariusze składu chemicznego Thei i jej wpływu na Ziemię. Symulacje potwierdziły, że fizyka zderzenia mogła doprowadzić do powstania zarówno LLVP, jak i Księżyca. Część płaszcza Thei mogła zostać włączona do płaszcza Ziemi, gdzie ostatecznie zbiła się i skrystalizowała, tworząc dwie odrębne plamy, które można dziś wykryć na granicy jądra i płaszcza Ziemi; inne szczątki powstałe w wyniku zderzenia zmieszały się, tworząc Księżyc.
Dlaczego materia Thei, biorąc pod uwagę tak gwałtowne uderzenie, zbiła się w dwie odrębne plamy, zamiast zmieszać się z resztą tworzącej się planety? Symulacje badaczy wykazały, że znaczna część energii dostarczonej w wyniku uderzenia Thei pozostała w górnej połowie płaszcza, pozostawiając dolny płaszcz Ziemi chłodniejszy niż szacowano we wcześniejszych modelach uderzenia o niższej rozdzielczości. Ponieważ dolny płaszcz nie uległ całkowitemu stopieniu w wyniku uderzenia, grudki bogatego w żelazo materiału z Thei pozostały w dużej mierze nienaruszone, gdy opadły na podstawę płaszcza, niczym kolorowe masy parafiny w wyłączonej lampie lawowej. Gdyby dolny płaszcz był gorętszy (to znaczy otrzymał więcej energii w wyniku uderzenia), zmieszałby się dokładniej z materiałem bogatym w żelazo, niczym kolory w mieszanym garnku z farbami.
Następnym krokiem będzie zbadanie, jak wczesna obecność heterogenicznego materiału Thei w głębi Ziemi mogła wpłynąć na procesy wewnętrzne naszej planety, takie jak tektonika płyt.
„Logiczną konsekwencją poglądu, że LLVP są pozostałością Thei, jest to, że są bardzo starożytne” – mówi Asimow. „Dlatego sensowne jest zbadanie, jakie miały one konsekwencje dla najwcześniejszej ewolucji Ziemi, takie jak początek subdukcji, zanim warunki były odpowiednie dla nowoczesnej tektoniki płyt, powstanie pierwszych kontynentów i pochodzenie najstarszego ocalałe minerały lądowe.”