Un nuovo studio del Caltech mostra che gli impatti giganti possono ridurre drasticamente la pressione interna dei pianeti, una scoperta che potrebbe cambiare significativamente l'attuale modello di formazione planetaria.

Gli impatti, come quello che si pensa abbia causato la formazione della luna terrestre circa 4,5 miliardi di anni fa, potrebbe causare fluttuazioni casuali nelle pressioni del nucleo e del mantello che spiegherebbero alcune sconcertanti firme geochimiche nel mantello terrestre.

"Studi precedenti hanno assunto erroneamente che la pressione interna di un pianeta fosse semplicemente una funzione della massa del pianeta, e quindi aumenta continuamente man mano che il pianeta cresce. Quello che abbiamo dimostrato è che la pressione può cambiare temporaneamente dopo un impatto importante, seguito da un aumento a lungo termine della pressione mentre il corpo post-impatto si riprende. Questa scoperta ha importanti implicazioni per la struttura chimica del pianeta e la successiva evoluzione, "dice Simon Lock, ricercatore post-dottorato al Caltech e autore principale di un articolo che spiega il nuovo modello pubblicato da Progressi scientifici il 4 settembre

Lock ha scritto il documento con la collega Sarah Stewart (Ph.D. '02), professore di scienze planetarie all'Università della California, Davis, un MacArthur Fellow 2018, e un'alunna della Caltech Division of Geological and Planetary Sciences.

I sistemi planetari in genere iniziano come un disco di polvere che si accumula lentamente in corpi rocciosi. La fine della fase principale di questo processo è caratterizzata da collisioni ad alta energia tra corpi di dimensioni planetarie mentre si uniscono per formare i pianeti finali.

L'energia d'urto di questi impatti può vaporizzare porzioni significative di un pianeta e persino, come si pensa sia accaduto con l'impatto che ha formato la luna, trasformare temporaneamente i due corpi in collisione in una ciambella rotante di materiale planetario nota come "sinestia, " che in seguito si raffredda in uno o più corpi sferici.

Lock e Stewart hanno utilizzato modelli computazionali di impatti giganti e strutture planetarie per simulare collisioni che hanno formato corpi con masse comprese tra 0,9 e 1,1 masse terrestri e hanno scoperto che, subito dopo una collisione, le loro pressioni interne erano molto più basse di quanto ci si aspettasse. Hanno scoperto che la diminuzione della pressione era dovuta a una combinazione di fattori:la rapida rotazione impartita dalla collisione, che generava una forza centrifuga che agiva contro la gravità, in sostanza spingendo il materiale lontano dall'asse di rotazione; e la bassa densità del caldo, corpo parzialmente vaporizzato.

"Non abbiamo osservazioni dirette della crescita di pianeti simili alla Terra. Si scopre che le proprietà fisiche di un pianeta possono variare notevolmente durante la loro crescita a causa delle collisioni. La nostra nuova visione della formazione dei pianeti è molto più variabile ed energica rispetto ai modelli precedenti che apre la porta a nuove spiegazioni dei dati precedenti, "Dice Steward.

Il risultato finale è che impatti importanti possono abbassare significativamente la pressione interna di un pianeta. La pressione subito dopo un impatto come quello che si pensa abbia formato la luna potrebbe essere la metà di quella dell'attuale Terra.

Se è vero, la scoperta potrebbe aiutare a riconciliare una contraddizione di vecchia data tra la geochimica del mantello terrestre ei modelli fisici di formazione dei pianeti.

Man mano che la proto-Terra cresceva, ogni oggetto che si è scontrato con esso ha consegnato del metallo nel mantello. Dopo ogni impatto, il metallo assorbiva piccole quantità di altri elementi dal mantello, e poi affondò nel profondo, trascinando con sé quegli elementi. È stata determinata la quantità di ciascun elemento che si è dissolto nel metallo, in parte, dalle pressioni interne della terra. Come tale, la composizione chimica del mantello oggi registra la pressione del mantello durante la formazione del pianeta.

Gli studi sui metalli nel mantello terrestre odierni indicano che questo processo di assorbimento si è verificato a pressioni che si trovano oggi nel mezzo del mantello. Però, modelli di impatto gigante mostrano che tali impatti fondono la maggior parte del mantello, e quindi il mantello avrebbe dovuto registrare una pressione molto più alta, equivalente a quella che ora vediamo appena sopra il nucleo. Questa anomalia tra l'osservazione geochimica e i modelli fisici è quella che gli scienziati hanno a lungo cercato di spiegare.

Dimostrando che le pressioni dopo gli impatti giganti erano inferiori a quanto si pensasse in precedenza, Lock e Stewart potrebbero aver trovato il meccanismo fisico per risolvere questo enigma.

Prossimo, Lock e Stewart intendono utilizzare i loro risultati per calcolare come i cambiamenti stocastici della pressione durante la formazione influenzino la struttura chimica dei pianeti. Lock afferma che continueranno anche a studiare come i pianeti si riprendono dal trauma di impatti giganti "Abbiamo dimostrato che le pressioni nei pianeti possono aumentare drammaticamente quando un pianeta si riprende, ma che effetto ha su come si solidifica il mantello o su come si è formata la prima crosta terrestre? Questa è un'area completamente nuova che deve ancora essere esplorata, " lui dice.

Il documento è intitolato "Gli impatti giganti modificano stocasticamente le pressioni interne dei pianeti terrestri".