النقط الغريبة في الوشاح العميق هي بقايا كوكب قديم

تشير دراسة أجراها معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا إلى أن هيكلين ضخمين وغنيين بالحديد في أعماق عباءة الأرض هما بقايا ثيا، وهو كوكب قديم اصطدم بالأرض، مما أدى أيضًا إلى تكوين القمر. يجيب هذا الاكتشاف على أسئلة قديمة حول أصل القمر ومصير ثيا.

Dans les années 1980, les géophysiciens ont fait une découverte surprenante : deux taches de matière inhabituelle de la taille d’un continent ont été découvertes profondément près du centre de la Terre, l’une sous le continent africain et l’autre sous l’ المحيط الهادي. يبلغ حجم كل نقطة ضعف حجم القمر، ومن المحتمل أنها تتكون من نسب مختلفة من العناصر مقارنة بالوشاح المحيط بها.

أصول المقاطعات الكبيرة ذات السرعة المنخفضة

من أين تأتي هذه النقط الغريبة، المعروفة سابقًا باسم المقاطعات الكبيرة ذات السرعة المنخفضة (LLVPs)؟ تشير دراسة جديدة أجراها باحثون من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا إلى أنها بقايا كوكب قديم اصطدم بعنف بالأرض منذ مليارات السنين في نفس التأثير العملاق الذي أدى إلى نشوء قمرنا.

الدراسة التي نشرت في المجلة طبيعة في الأول من نوفمبر، يقدم أيضًا إجابة على لغز علمي كوكبي آخر. لقد افترض الباحثون منذ فترة طويلة أن القمر قد تم إنشاؤه بعد اصطدام عملاق بين الأرض وكوكب أصغر يسمى ثيا، ولكن لم يتم العثور على أي أثر لثيا في حزام الكويكبات أو في النيازك. تشير هذه الدراسة الجديدة إلى أن معظم ثيا امتصته الأرض الفتية، لتشكل LLVPs، في حين اندمج الحطام المتبقي من الاصطدام في القمر.

تصور للأرض مع “نقط” كبيرة من المادة الكثيفة بالقرب من قلب الأرض. تم اكتشاف هذه النقط في الثمانينيات، واليوم يقترح الباحثون أنها في الواقع بقايا كوكب قديم، ثيا، الذي اصطدم بالأرض ليشكل القمر. ائتمان: إدوارد جارنيرو

المنهجية ونتائج البحث

قاد البحث تشيان يوان، باحث ما بعد الدكتوراه في أوكي إيرل، وباحث مشارك في مختبرات بول أسيمو (ماجستير ’93، دكتوراه ’97)، أستاذ إليانور وجون آر ماكميلان للجيولوجيا والكيمياء الجيولوجية. ومايكل جورنيس، وأستاذ جون إي وهيزل س. سميتس للجيوفيزياء وأستاذ كلارنس آر ألين للقيادة، ومدير مختبر الزلازل في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ومدير أكاديمية شميدت لهندسة البرمجيات في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا.

اكتشف العلماء لأول مرة LLVPs عن طريق قياس الموجات الزلزالية التي تمر عبر الأرض. تنتشر الموجات الزلزالية بسرعات مختلفة عبر مواد مختلفة، وفي الثمانينيات ظهر أول دليل على وجود اختلافات ثلاثية الأبعاد واسعة النطاق في أعماق بنية الأرض. وفي الوشاح الأعمق، تهيمن على نمط الموجات الزلزالية بصمات هيكلين كبيرين بالقرب من قلب الأرض، يقول الباحثون إن لديهما مستويات عالية بشكل غير عادي من الحديد. وهذا المحتوى العالي من الحديد يعني أن المناطق أكثر كثافة من محيطها، مما يبطئ الموجات الزلزالية التي تمر عبرها ويعطيها اسم “المقاطعات الكبيرة منخفضة السرعة”.

وحضر يوان، وهو فيزيائي جيوفيزيائي من خلال التدريب، ندوة حول تكوين الكوكب قدمها ميخائيل زولوتوف، الأستاذ في جامعة ولاية أريزونا، في عام 2019. وقدم زولوتوف فرضية التأثير العملاق، في حين أشار تشيان إلى أن القمر غني نسبيا بالحديد. وأضاف زولوتوف أنه لم يتم العثور على أي أثر للمركبة التي من المؤكد أنها اصطدمت بالأرض.

يشرح يوان: “مباشرة بعد أن قال ميخائيل إنه لا أحد يعرف مكان ارتطامه الآن، حصلت على لحظة اكتشاف وأدركت أن الاصطدام الغني بالحديد كان من الممكن أن يتحول إلى نقط من الوشاح”.

محاكاة تفصيلية لاصطدام ثيا بالأرض. على الرغم من أن الاصطدام كان عنيفًا، إلا أنه لم يكن قويًا بما يكفي لإذابة الوشاح السفلي للأرض، مما يعني أنه ربما تم الحفاظ على بقايا ثيا، بدلاً من خلطها بشكل متجانس مع مواد الأرض. الائتمان: هونغ بينغ دينغ

عمل يوان مع متعاونين متعددي التخصصات لصياغة سيناريوهات مختلفة فيما يتعلق بالتركيب الكيميائي لثيا وتأثيره على الأرض. أكدت عمليات المحاكاة أن فيزياء الاصطدام يمكن أن تؤدي إلى تكوين LLVPs والقمر. ربما تم دمج جزء من عباءة ثيا في عباءة الأرض، حيث تجمعت وتبلورت في النهاية لتشكل البقعتين المتميزتين اللتين يمكن اكتشافهما اليوم عند الحدود بين قلب الأرض والوشاح؛ اختلط الحطام الآخر الناتج عن الاصطدام لتكوين القمر.

الآثار والبحوث المستقبلية

في مواجهة مثل هذا التأثير العنيف، لماذا تجمعت مادة ثيا معًا في نقطتين متميزتين بدلاً من الاختلاط مع بقية الكوكب المتشكل؟ أظهرت عمليات المحاكاة التي أجراها الباحثون أن الكثير من الطاقة الناتجة عن اصطدام ثيا ظلت في النصف العلوي من الوشاح، مما ترك الوشاح السفلي للأرض أكثر برودة مما قدرت نماذج الاصطدام السابقة بدقة أقل. نظرًا لأن الوشاح السفلي لم يذوب تمامًا بسبب الاصطدام، ظلت نقاط ثيا من المواد الغنية بالحديد سليمة إلى حد كبير عند غربلتها إلى قاعدة الوشاح، مثل الكتل الملونة من شمع البارافين في مصباح الحمم غير المضاء. لو كان الوشاح السفلي أكثر سخونة (أي أنه تلقى المزيد من الطاقة من الاصطدام)، لكان قد اختلط بشكل كامل مع المواد الغنية بالحديد، مثل الألوان الموجودة في وعاء من الطلاء المتحرك.

ستكون الخطوات التالية هي دراسة كيفية تأثير الوجود المبكر لمواد ثيا غير المتجانسة في أعماق الأرض على العمليات الداخلية لكوكبنا، مثل تكتونية الصفائح.

يقول أسيموف: “النتيجة المنطقية لفكرة أن LLVPs هي بقايا ثيا هي أنها قديمة جدًا”. “لذلك فمن المنطقي أن ندرس ما هي العواقب التي خلفتها على التطور المبكر للأرض، مثل بداية الاندساس قبل أن تكون الظروف مواتية لتكتونية الصفائح الحديثة، وتكوين القارات الأولى وأصل أقدم القارات. المعادن الأرضية على قيد الحياة.

De nouvelles recherches répondent à deux mystères de longue date de la science planétaire : que sont les mystérieuses « taches » géantes de matière proches du noyau terrestre, et qu’est-il arrivé à la planète qui s’est écrasée sur la Terre pour créer القمر ؟ تشير دراسة جديدة من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا إلى أن بقايا هذا الكوكب القديم لا تزال موجودة داخل الأرض، مما يفسر أصول “النقط” بالقرب من حدود الوشاح الأساسي.

المرجع: “الاصطدام المكوِّن للقمر كمصدر لشذوذ عباءة الأرض القاعدية” بقلم تشيان يوان، مينجمينج لي، ستيفن جيه. ديش، بيونج كوان كو، هونج بينج دينج، إدوارد جيه. جارنيرو، ترافيس إس جيه غابرييل، جاكوب أ. كيجيريس، يوشينوري ميازاكي، وفنسنت إيكي، وبول د. أسيموف، 32 أكتوبر 2023، طبيعة.
دوى: 10.1038/s41586-023-06589-1

تشيان يوان هو المؤلف الأول. إلى جانب يوان وأسيمو، فإن المؤلف المشارك الإضافي لمعهد كاليفورنيا للتكنولوجيا هو يوشينوري ميازاكي، وهو باحث مشارك في مرحلة ما بعد الدكتوراه في جامعة ستانباك في تطور الكواكب المقارن. المؤلفون المشاركون الإضافيون هم مينجمينج لي، وستيفن ديش، وإدوارد جارنيرو (الدكتوراه ’94) من جامعة ولاية أريزونا (ASU)؛ بيونجكوان كو من جامعة ولاية أريزونا وجامعة ولاية ميشيغان؛ هونغ بينغ دينغ من الأكاديمية الصينية للعلوم؛ ترافيس غابرييل من هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية؛ جاكوب كيجيريس ناسامركز أبحاث أميس. وفنسنت إيكي من جامعة دورهام. تم توفير التمويل من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم، وزمالة أوكي إيرل لما بعد الدكتوراه في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا، وهيئة المسح الجيولوجي الأمريكية، ووكالة ناسا، ومركز معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا لتطور الكواكب المقارن.