Pozdní těžké bombardování - Late Heavy Bombardment

Umělecký dojem z Měsíce během pozdního těžkého bombardování (nahoře) a dnes (dole)

The Late Heavy Bombardment ( LHB ), neboli lunární kataklyzma , je hypotetická událost, o které se předpokládá, že k ní došlo přibližně před 4,1 až 3,8 miliardami let (Ga), v době, která odpovídá epochám Neohadean a Eoarchean na Zemi. Podle hypotézy se během tohoto intervalu srazilo neúměrně velké množství asteroidů s ranými pozemskými planetami ve vnitřní sluneční soustavě , včetně Merkuru , Venuše , Země a Marsu . Od roku 2018 je existence Late Heavy Bombardment zpochybňována.

Důkazy pro LHB pocházejí z měsíčních vzorků přivezených astronauty Apollo . Izotopový datování z měsíčních hornin vyplývá, že většina taveniny nárazu došlo v poměrně úzkém časovém intervalu. Několik hypotéz se pokouší vysvětlit zdánlivý nárůst toku nárazových těles (tj. Asteroidů a komet ) ve vnitřní sluneční soustavě, ale zatím neexistuje shoda. Model Nice , oblíbený mezi planetárními vědci , předpokládá, že obří planety prošly orbitální migrací a při tom rozptýlily objekty v pásu asteroidů , Kuiperově pásu nebo obou, na excentrické oběžné dráhy a na dráhu pozemských planet. Jiní vědci tvrdí, že data lunárního vzorku nevyžadují kataklyzmatickou kráterovou událost poblíž 3,9 Ga a že zjevné shlukování stáří rázové taveniny poblíž této doby je artefaktem vzorkovacích materiálů získávaných z jediné velké nárazové pánve. Rovněž poznamenávají, že rychlost nárazových kráterů se může výrazně lišit mezi vnějšími a vnitřními zónami sluneční soustavy.

Důkaz pro kataklyzmat

Hlavní důkaz lunárního kataklyzmatu pochází z radiometrických stáří nárazových tavenin, které byly shromážděny během misí Apollo. Předpokládá se, že většina těchto nárazových tavenin se vytvořila při srážce asteroidů nebo komet napříč desítky kilometrů a vytvořila impaktní krátery o průměru stovky kilometrů. Apollo 15 , 16 , a 17 přistání místa byla vybrána z důvodu své blízkosti k Imbrium , Nectaris a Serenitatis nádrží, v tomto pořadí.

Zjevné shlukování věků těchto nárazových tání, mezi asi 3,8 a 4,1 Ga, vedlo k postulaci, že věky zaznamenávají intenzivní bombardování Měsíce . Říkali tomu „lunární kataklyzma“ a navrhli, aby to představovalo dramatický nárůst rychlosti bombardování Měsíce kolem 3,9 Ga. Pokud byly tyto dopadové taveniny odvozeny z těchto tří pánví, pak se nejen tyto tři prominentní impaktní pánve vytvořily uvnitř krátký časový úsek, ale stejně tak mnoho dalších na základě stratigrafických důvodů. V té době byl závěr považován za kontroverzní.

Jak je k dispozici více údajů, zejména z měsíčních meteoritů , tato hypotéza, přestože je stále kontroverzní, se stala populárnější. Předpokládá se, že měsíční meteority náhodně odebírají měsíční povrch, a alespoň některé z nich měly pocházet z oblastí daleko od přistávacích míst Apolla. Mnoho z živcových lunárních meteoritů pravděpodobně pocházelo z lunární vzdálené strany a nedávno došlo k datu rázových tání v nich. V souladu s hypotézou kataklyzmatu nebylo zjištěno, že by některý z jejich věků byl starší než asi 3,9 Ga. Věk se však k tomuto datu „neshromažďuje“, ale se pohybuje mezi 2,5 a 3,9 Ga.

Datování meteoritů howarditů , eucritů a diogenitů (HED) a meteoritů H chondrite pocházejících z pásu asteroidů odhaluje mnoho stáří od 3,4–4,1 Ga a dřívější vrchol při 4,5 Ga. Věky 3,4–4,1 Ga byly interpretovány jako nárůst rychlosti nárazu, protože počítačové simulace využívající hydrokód odhalují, že objem nárazové taveniny se zvyšuje 100–1 000krát, jak se rychlost nárazu zvyšuje ze současného průměru pásu asteroidů z 5 km/s na 10 km/s. Nárazové rychlosti nad 10 km/s vyžadují velmi vysoké sklony nebo velké excentricity asteroidů na oběžných drahách planety. Takové objekty jsou v současném pásu asteroidů vzácné, ale populace by byla výrazně zvýšena zametáním rezonancí v důsledku migrace obřích planet.

Studie distribuce velikosti horského kráteru naznačují, že stejná rodina projektilů zasáhla Merkur a Měsíc během pozdního těžkého bombardování. Pokud historie rozpadu pozdního těžkého bombardování na Merkuru také sledovala historii pozdního těžkého bombardování na Měsíci, nejmladší objevená velká pánev, Caloris , je věkově srovnatelná s nejmladšími velkými lunárními pánvemi Orientale a Imbrium a všemi jednotky planiny jsou starší než 3 miliardy let.

Kritika hypotézy kataklyzmatu

Přestože se hypotéza o kataklyzmatu v poslední době stává populárnější, zejména mezi dynamisty, kteří identifikovali možné příčiny takového jevu, je stále kontroverzní a vychází z diskutabilních předpokladů. Dvě kritiky jsou, že (1) „shluk“ impaktních věků by mohl být artefaktem vzorkování ejecta jediné pánve, a (2) že nedostatek hornin s rázovou taveninou starších než asi 4,1 Ga souvisí se všemi takovými vzorky, které byly rozdrceny na prach nebo se jejich věk resetuje.

První kritika se týká původu nárazových tavenin, které byly odebrány ze vzorků na přistávacích místech Apolla. Zatímco tyto rázové taveniny byly běžně přisuzovány tomu, že byly odvozeny z nejbližší pánve, bylo argumentováno, že velká část z nich může být místo toho odvozena z pánve Imbrium. Impaktní pánev Imbrium je nejmladší a největší z vícekruhových pánví nacházejících se na centrální blízké straně Měsíce a kvantitativní modelování ukazuje, že na všech přistávacích místech Apolla by mělo být přítomno značné množství ejecta z této události. Podle této alternativní hypotézy shluk stárnutí nárazové taveniny blízko 3,9 Ga jednoduše odráží materiál sbíraný z jedné události nárazu, Imbrium, a ne z několika. Další kritika také tvrdí, že věkový skok na 3,9 Ga identifikovaný při datování 40 Ar/ 39 Ar by mohl být také způsoben epizodickou ranou tvorbou kůry následovanou částečnými ztrátami 40 Ar, protože míra dopadu klesala.

Druhá kritika se týká významu nedostatku impaktních tavenin hornin starších než asi 4,1 Ga. Jedna hypotéza pro toto pozorování, které nezahrnuje kataklyzma, je, že existovaly staré tavené horniny, ale že jejich radiometrické stáří bylo resetováno spojitým dopady impaktních kráterů za poslední 4 miliardy let. Kromě toho je možné, že všechny tyto domnělé vzorky mohly být rozdrceny na tak malé velikosti, že není možné získat stáří pomocí standardních radiometrických metod. Poslední reinterpretace statistik kráterů naznačuje, že tok na Měsíci a na Marsu mohl být obecně nižší. Zaznamenanou populaci kráterů lze tedy vysvětlit bez jakéhokoli vrcholu v nejranějším bombardování vnitřní sluneční soustavy.

Geologické důsledky na Zemi

Pokud by na Měsíci skutečně došlo ke kataklyzmatické kráterové události, byla by zasažena i Země. Extrapolační sazby měsíčních kráterů na Zemi naznačují, že by se vytvořil následující počet kráterů:

  • 22 000 nebo více impaktních kráterů o průměru> 20 km (12 mi),
  • asi 40 nárazových pánví o průměru asi 1 000 km (620 mi),
  • několik nárazových pánví o průměru asi 5 000 km (3100 mi),

Před formulací hypotézy LHB geologové obecně předpokládali, že Země zůstala roztavená přibližně do 3,8 Ga. Toto datum bylo možné nalézt v mnoha nejstarších známých horninách z celého světa a zdálo se, že představuje silný „mezní bod“, za kterým starší kameny nebyly nalezeny. Tato data zůstal stejný, i přes různé datovací metody, včetně systému považována za nejpřesnější a nejméně ovlivněn prostředím, uran-olovo datování of zirkony . Jelikož nebylo možné nalézt žádné starší horniny, obecně se předpokládalo, že Země zůstala do tohoto data roztavená, což definovalo hranici mezi dřívějšími hadejskými a pozdějšími archeanskými eony. Nicméně, v roce 1999, nejstarší známá skála na Zemi byl datován být 4.031 ± 0003000000 rok starý, a je součástí Acasta Gneiss na Slave craton v severozápadní Kanadě.

Byly však nalezeny starší horniny ve formě úlomků asteroidů, které dopadají na Zemi jako meteority . Stejně jako horniny na Zemi, asteroidy také vykazují silný mezní bod, přibližně 4,6 Ga, což je předpokládáno v době, kdy se v protoplanetárním disku kolem tehdy mladého Slunce vytvořily první pevné látky . Hadean byl tedy časový úsek mezi vznikem těchto raných hornin ve vesmíru a případným zpevněním zemské kůry, přibližně o 700 milionů let později. Tato doba by zahrnovala narůstání planet z disku a pomalé ochlazování Země na pevné těleso, když se uvolňovala gravitační potenciální energie narůstání.

Pozdější výpočty ukázaly, že rychlost kolapsu a ochlazování závisí na velikosti skalnatého tělesa. Zvětšení této rychlosti na předmět hmotnosti Země naznačuje velmi rychlé ochlazení, které vyžaduje pouze 100 milionů let. Rozdíl mezi měřením a teorií představoval v té době hlavolam.

LHB nabízí potenciální vysvětlení této anomálie. Podle tohoto modelu skály datované na 3,8 Ga ztuhly až poté, co LHB zničila velkou část kůry. Souhrnně Acasta Gneiss v severoamerickém cratonic štítu a ruly v rámci Jack Hills části Narryer ruly Terrane v západní Austrálii jsou nejstarší kontinentální fragmenty na Zemi, přesto se zdá, že po datu LHB. Nejstarší minerál dosud datovaný na Zemi, zirkon 4,404 Ga z Jack Hills, předchází této události, ale je to pravděpodobně fragment kůry, který zbyl z doby před LHB, obsažený v mnohem mladší (~ 3,8 Ga staré) skále.

Zirkon Jack Hills vedl k evoluci v chápání hadeanského eónu. Starší odkazy obecně ukazují, že Hadean Earth měla roztavený povrch s prominentními sopkami . Samotný název „Hadean“ odkazuje na „pekelné“ podmínky předpokládané na Zemi po určitou dobu z řeckého Hádu . Datování podle zirkonů naznačovalo, i když kontroverzně, že hadeanský povrch byl pevný, mírný a pokrytý kyselými oceány. Tento obrázek je odvozen z přítomnosti konkrétních izotopických poměrů, které naznačují působení chemie na vodní bázi v době před vznikem nejstarších hornin (viz Cool early Earth ).

Zvláště zajímavé je, že Manfred Schidlowski v roce 1979 tvrdil, že izotopové poměry uhlíku některých sedimentárních hornin nalezených v Grónsku jsou pozůstatkem organické hmoty. O přesném datování hornin se vedlo mnoho debat, přičemž Schidlowski naznačoval, že jsou staré přibližně 3,8 Ga, a další navrhovali „skromnější“ 3,6 Ga. V obou případech to byla velmi krátká doba, než došlo k abiogenezi , a pokud měl Schidlowski pravdu, pravděpodobně příliš krátký čas. Pozdně těžké bombardování a „přetavování“ kůry, které naznačuje, poskytuje časový plán, pod kterým by to bylo možné: život buď vznikl bezprostředně po Pozdním těžkém bombardování, nebo jej pravděpodobněji přežil, protože vznikl dříve během Hadeanu . Nedávné studie naznačují, že horniny, které Schidlowski našel, skutečně pocházejí ze staršího konce možného věkového rozmezí přibližně 3,85 Ga, což naznačuje, že nejpravděpodobnější odpovědí je druhá možnost. Studie z let 2005, 2006 a 2009 nenalezly žádné důkazy o poměru izotopově lehkého uhlíku, který by byl základem původních tvrzení. Bylo navrženo, že život mohl být transportován ze Země v důsledku nárazů a návratu a „znovuzískat“ život poté, co se svět zotavil po globálním impaktoru, což nejenže restartuje evoluci, ale také potenciálně uděluje konkrétní biologický efekt, který zvyšuje stres kapacita shromážděných mikrobiálních organismů a tím i jejich schopnost přežití.

Nedávno podobná studie hornin Jack Hills ukazuje stopy stejného druhu potenciálních organických indikátorů. Thorsten Geisler z Institutu pro mineralogii na univerzitě v Münsteru studoval stopy uhlíku zachyceného v malých kouscích diamantu a grafitu v zirkonech s datem 4,25 Ga. Poměr uhlíku-12 k uhlíku-13 byl neobvykle vysoký, obvykle znak " zpracování “životem.

Trojrozměrné počítačové modely vyvinuté v květnu 2009 týmem z University of Colorado v Boulderu předpokládají, že velká část zemské kůry a mikrobů v ní žijících mohla bombardování přežít. Jejich modely naznačují, že ačkoli by byl povrch Země sterilizován, hydrotermální průduchy pod povrchem Země by mohly inkubovat život poskytnutím útočiště pro teplomilné mikroby . V dubnu 2014 vědci oznámili nalezení důkazů o dosud největší pozemské události s dopadem meteoritu poblíž pásu Barberton Greenstone . Odhadli, že k nárazu došlo asi před 3,26 miliardami let a že nárazové těleso bylo široké přibližně 37 až 58 kilometrů (23 až 36 mil). Kráter z této události, pokud ještě existuje, nebyl dosud nalezen.

Možné příčiny

Migrace obřích planet

Další informace: Pěkný model
Simulace zobrazující vnější planety a planetesimální pás: (a) Počáteční konfigurace, než Jupiter (zelený) a Saturn (oranžový) dosáhnou rezonance 2: 1; (b) Rozptyl planetesimálů do vnitřní sluneční soustavy po orbitálním posunu Neptunu (tmavě modrá) a Uranu (světle modrá); (c) Po vyhození planetesimálů planetami.

V modelu Nice je Late Heavy Bombardment výsledkem dynamické nestability ve vnější sluneční soustavě. Původní simulace modelu Nice od Gomese a kol. začaly obří planety sluneční soustavy v těsné orbitální konfiguraci obklopené bohatým transneptunským pásem . Předměty z tohoto pásu bloudí na oběžné dráhy procházející planetami, což způsobuje, že oběžné dráhy planet migrují několik set milionů let. Dráhy Jupitera a Saturnu se pomalu od sebe vzdalují, dokud nepřekročí orbitální rezonanci 2: 1 , což způsobí zvýšení excentricit jejich drah. Dráhy planet se stanou nestabilní a Uran a Neptun jsou rozptýleny na širší oběžné dráhy, které narušují vnější pás, což způsobuje bombardování komet při jejich vstupu na oběžné dráhy planet. Interakce mezi objekty a planetami také vedou k rychlejší migraci oběžných drah Jupitera a Saturnu. Tato migrace způsobuje, že rezonance procházejí pásem asteroidů, což zvyšuje excentricitu mnoha asteroidů, dokud se nedostanou do vnitřní sluneční soustavy a neovlivní pozemské planety.

Od svého prvního zveřejnění prošel model Nice několika úpravami. Obří planety nyní začínají v multi-rezonanční konfiguraci kvůli časné migraci poháněné plynem protoplanetárním diskem. Interakce s transneptunským pásem umožňují jejich útěk z rezonancí po několika stovkách milionů let. Následující setkání mezi planetami zahrnují setkání mezi ledovým obrem a Saturnem, které pohání ledového obra na oběžnou dráhu přecházející Jupiter, po níž následuje setkání s Jupiterem, které ledového obra žene ven. Tento scénář skákání-Jupitera rychle zvyšuje oddělení Jupitera a Saturnu, což omezuje dopady rezonance na asteroidy a pozemské planety. I když je to nutné k zachování nízkých výstředností pozemských planet a vyhýbání se opouštění pásu asteroidů příliš velkým množstvím asteroidů s vysokou excentricitou, zároveň to snižuje podíl asteroidů odstraněných z hlavního pásu asteroidů a ponechává nyní téměř vyčerpaný vnitřní pás asteroidů jako primárního zdroje nárazových těles LHB. Ledový obr je často po setkání s Jupiterem vymrštěn, což některé vedlo k tvrzení, že sluneční soustava začala s pěti obřími planetami . Nedávné práce však zjistily, že dopady z tohoto vnitřního pásu asteroidů by nebyly dostatečné k vysvětlení vzniku starodávných lůžek sférických nárazů a lunárních pánví a že pás asteroidů pravděpodobně nebyl zdrojem pozdně těžkého bombardování.

Pozdní tvorba Uranu a Neptunu

Podle jedné planetesimální simulace vzniku planetárního systému se nejvzdálenější planety Uran a Neptun formovaly velmi pomalu, po dobu několika miliard let. Harold Levison a jeho tým také navrhli, že relativně nízká hustota materiálu ve vnější sluneční soustavě během formování planety by výrazně zpomalila jejich narůstání. Pozdní vznik těchto planet byl proto navržen jako jiný důvod pro LHB. Nedávné výpočty toků plynu v kombinaci s planetesimálním růstem ve vnější sluneční soustavě naznačují, že se planety Jovian vytvářely extrémně rychle, řádově 10 My, což toto vysvětlení pro LHB nepodporuje.

Hypotéza planety V.

Hlavní článek: Planeta V

Hypotéza Planety V předpokládá, že pátá pozemská planeta způsobila pozdně těžké bombardování, když její meta-stabilní oběžná dráha vstoupila do vnitřního pásu asteroidů. Hypotetická pátá pozemská planeta, planeta V, měla hmotnost menší než polovinu Marsu a původně obíhala mezi Marsem a pásem asteroidů. Oběžná dráha planety V se stala nestabilní kvůli odchylkám od ostatních vnitřních planet, což způsobilo, že protíná vnitřní pás asteroidů. Po blízkých setkáních s planetou V vstoupilo mnoho asteroidů na oběžné dráhy Země a způsobilo pozdní těžké bombardování. Planeta V byla nakonec ztracena, pravděpodobně se vrhla do Slunce. V numerických simulacích bylo ukázáno, že nerovnoměrné rozložení asteroidů, s asteroidy silně koncentrovanými směrem k vnitřnímu pásu asteroidů, je nezbytné k produkci LHB prostřednictvím tohoto mechanismu. Alternativní verze této hypotézy, ve které jsou měsíčními nárazovými tělesy úlomky vyplývající z dopadu planety V na Mars, tvořící Borealisskou pánev , byla navržena s cílem vysvětlit nízký počet obřích lunárních pánví vzhledem ke kráterům a nedostatek důkazů o kometárních impaktorech.

Narušení asteroidu přecházejícího na Marsu

Hypotéza navržená Matijou Ćukem předpokládá, že několik posledních nárazů tvořících povodí bylo důsledkem kolizního narušení velkého asteroidu přecházejícího na Marsu. Tento asteroid velikosti Vesta byl pozůstatkem populace, která byla zpočátku mnohem větší než současný hlavní pás asteroidů. Většina dopadů před Imbrium by byla způsobena těmito objekty přecházejícími na Marsu, přičemž rané bombardování trvalo až 4,1 miliardy let. Poté následovalo období bez mnoha nárazů tvořících povodí, během kterého se lunární magnetické pole rozpadalo. Poté, zhruba před 3,9 miliardami let, katastrofický dopad narušil asteroid velikosti Vesta, což výrazně zvýšilo populaci objektů přecházejících na Mars. Mnoho z těchto objektů se poté vyvinulo na oběžné dráhy obíhající po Zemi, čímž došlo k prudkému nárůstu intenzity měsíčního nárazu, během kterého se vytváří posledních několik lunárních impaktních pánví. Ćuk poukazuje na slabý nebo chybějící zbytkový magnetismus posledních několika pánví a změnu v rozložení velikosti a frekvence kráterů, které se vytvořily během tohoto pozdního bombardování, jako důkaz podporující tuto hypotézu. Načasování a příčina změny v rozložení velikosti a frekvence kráterů je kontroverzní.

Jiné potenciální zdroje

Byla zkoumána řada dalších možných zdrojů pozdně těžkého bombardování. Mezi nimi jsou další satelity Země obíhající nezávisle nebo jako lunární trojské koně, planetesimály, které zbyly z formací pozemských planet, koorbitály Země nebo Venuše, a rozpad velkého asteroidu hlavního pásu. Ukázalo se, že další satelity Země na nezávislých oběžných drahách byly během rané přílivové orbitální expanze Měsíce rychle zachyceny do rezonancí a byly ztraceny nebo zničeny během několika milionů let.Lunární trojské koně byly destabilizovány během 100 milionů let sluneční rezonancí, když Měsíc dosáhl 27 poloměrů Země. Planetesimály, které zbyly z tvorby pozemských planet, se ukázaly být příliš rychle vyčerpány kvůli kolizím a vymrštění, aby vytvořily poslední lunární pánve. Dlouhodobá stabilita prvotních koorbitálů Země nebo Venuše (trojské koně nebo objekty s oběžnými dráhami podkovy) ve spojení s nedostatkem současných pozorování naznačuje, že je nepravděpodobné, že by byly dostatečně běžné, aby mohly přispět k LHB. Bylo zjištěno, že produkce LHB z kolizního narušení asteroidu hlavního pásu vyžaduje minimálně 1 000–1 500 km rodičovské tělo s nejpříznivějšími počátečními podmínkami. Jako zdroj LHB byly také navrženy úlomky produkované kolizemi mezi vnitřními planetami, nyní ztracené.

Exosystém s možným pozdním těžkým bombardováním

Hlavní článek: Eta Corvi

Byly nalezeny důkazy o podmínkách podobných pozdnímu těžkému bombardování kolem hvězdy Eta Corvi .

Viz také

Reference

externí odkazy