Железный дождь пролился на раннюю Землю, новые данные с Z-машины подтверждают

Исследователи на Z-машине в Национальных лабораториях Сандия помогли разрешить давнюю загадку астрофизики: почему железо обнаружено разбросанным по всей мантии Земли — слою толщиной около 2000 миль между ядром и корой планеты. Казалось бы, железо, прибывшее от столкновений с планетезималями на поздних этапах формирования Земли, должно было, подобно пулям, устремиться прямо к её ядру.

Сопутствующей загадкой является то, почему в мантии Луны пропорционально содержится гораздо меньше железа, чем в мантии Земли, несмотря на одинаковую историю бомбардировки.

Чтобы ответить на эти вопросы, учёные под руководством профессоров Стейна Якобсена (Гарвардский университет) и Сары Стюарт (Калифорнийский университет в Дэвисе) усомнились в общепринятом теоретическом значении точки испарения железа при высоких давлениях. Если испарение происходит при более низких давлениях, чем считалось, то после удара твёрдое железо могло рассеиваться в виде пара, окутывающего формирующуюся Землю, а не пробивать её насквозь. Последующий железный дождь создал бы те самые включения элемента, которые сейчас находят в мантии. Что касается Луны, то её более слабая гравитация не смогла бы удержать большую часть атомов железа в виде пара, что объясняет дефицит железа в её недрах.

Для получения экспериментальных данных исследователи использовали Z-машину. В ходе экспериментов алюминиевые пластины-ударники разгонялись до 25 километров в секунду и сталкивались с железной мишенью, создавая мощные ударные волны.

Результаты, опубликованные 2 марта в журнале Nature Geosciences, показывают, что давление, необходимое для испарения железа, составляет около 507 гигапаскалей (ГПа). Это более чем на 40% ниже предыдущей теоретической оценки в 887 ГПа. Такое давление легко достигалось на заключительных этапах аккреции планет.

«Планетологи всегда считали, что железо трудно испарить, и никогда не рассматривали испарение как важный процесс при формировании Земли и её ядра, — заявил ведущий исследователь Рик Краус. — Но наши эксперименты показали, что ударное испарение железа происходит очень легко. Это меняет наши представления о формировании планет».