Planeten Merkurius, garderobsplaneten till vår sol, är något av en övning i extremer. Det är dagar varar längre än det är år och vid någon given tidpunkt, den solvända sidan är brännheta medan den mörka sidan är iskall. Det är också en av de minst förstådda planeterna i vårt solsystem. Även om det är en jordbunden (dvs stenig) planet som jorden, Venus och Mars, den har ett betydligt högre förhållande järn-till-sten än de andra.

I årtionden, den mest accepterade teorin för detta var att Merkurius upplevde en massiv påverkan i det förflutna som fick planeten att kasta av sig mycket av sin steniga mantel. Dock, enligt en ny studie av ett team av forskare från Center for Theoretical Astrophysics and Cosmology (CTAC) vid universitetet i Zürich, Merkurius mystiska natur kan faktiskt vara resultatet av flera kollisioner med gigantiska föremål.

För deras studiers skull, med titeln "Forming Mercury by Giant Impacts, " Teamledaren Alice Chau och hennes kollegor (som alla är medlemmar av Institute for Computational Science vid CTAC) övervägde de olika anledningarna till varför Merkurius har den densitet och förhållandet mellan järn och sten som det har. Till slut, de övervägde alla möjliga scenarier för att avgöra vilket som var mest troligt.

För att bryta ner det, Merkurius har förblivit något av ett mysterium för astronomer på grund av dess mycket mer metalliska än sina grannar. Ungefär som jorden, Venus och Mars, Merkurius är en jordisk planet, vilket betyder att den är sammansatt av silikatmineraler och metaller som är differentierade till en järnkärna och silikatmantel och skorpa. Men till skillnad från de andra steniga planeterna i solsystemet, järn utgör en oproportionerligt stor del av planeten.

Inte bara har Merkurius kärna ett högre järninnehåll än någon annan större planet i solsystemet, men baserat på dess densitet och storlek, geologer uppskattar att Merkurius kärna upptar cirka 42 procent av dess volym – jämfört med jordens 17 procent. Anledningen till detta är fortfarande okänd, men många teorier har utvecklats under åren. Som Chau berättade för universum Today via e-post, dessa teorier kan delas in i två kategorier:

Antingen förvärvade Mercury sin stora järnkärna från början, i solnebulosan/skivan. Nära solen kan vissa mekanismer ha varit mer effektiva för att separera metaller och stenar (på grund av deras olika kondensationstemperatur, eller ledande egenskaper, eller deras balans mellan dragkraft och gravitation), som skulle driva mer metaller inåt och stenar utåt. Kvicksilver skulle då bildas på en plats som är mer metallrik än i resten av skivan. ii) eller så bildade den en kärna som i massförhållande liknade de andra jordlevande planeterna men förlorade en del av sin mantel i de sena stadierna av sin bildning, som vid en gigantisk stöt eller genom avdunstning (och ångmanteln skulle blåses bort av solvindar)."

Den andra möjligheten, där Merkurius förlorade mycket av sin mantel på grund av avdunstning eller en massiv stöt, är fortfarande den mest accepterade bland vetenskapssamfundet. Bygger på detta, Chau och hennes kollegor studerade standardkollisionsparametrar (påslagshastighet, massförhållande, påverkansparameter) och övervägde vad en impactors sannolika sammansättning skulle vara, samt hur nedkylningen av Merkurius efteråt skulle spela en roll.

Syftet med detta var att avgöra om Mercurys sammansättning var resultatet av en enda, enorm påverkan, eller många mindre. Även om båda möjligheterna är sällsynta och skulle kräva en unik uppsättning omständigheter, Chau och hennes kollegor fastställde att båda påverkansscenarier kunde förklara Merkurius nyfikna natur. Som hon förklarade, deras slutsatser kom ner till fem punkter:

1. En enstaka gigantisk kollision eller hit-and-run-kollision kräver en väl avstämd islagsparameter och hastighet för att reproducera Merkurius massa och järnmassfraktion. Det finns ett något större parameterutrymme av möjligheter i hit-and-run-scenariot.
2. Impaktorns sammansättning påverkar den resulterande slutliga massan och fördelningen av järn efter anslaget.
3. Målets tillstånd före islag påverkar den resulterande slutliga massan.
4. Ett scenario med flera kollisioner undkommer finjusteringen av de geometriska parametrarna men begränsas av timingen och av den flyktiga sammansättningen av Merkurius yta.
5. Att bilda kvicksilver genom gigantiska stötar är genomförbart men svårt.

Kortfattat, de fann att det är möjligt att båda scenarierna kan förklara Merkurius höga järn-till-sten-ration, men att oddsen för att de har hänt inte är stora. Detta stöds, enligt Chau, genom att få kvicksilveranaloga exoplaneter har hittats. I det här avseendet, vad som än fick Merkurius att bli som det är kan vara en relativt sällsynt händelse när det gäller stjärnsystemens utveckling.

"Vår studie är inte den första som föreslår jätteeffekter för att förklara Merkurius stora järnkärna, men bekräftar att vi behöver ganska specifika villkor för jätteeffekter, " sade Chau. "Det verkar som att det är svårt att bilda Merkurius. I en annan mening, detta är betryggande eftersom vi inte observerar många exoplaneter som liknar Merkurius till sin sammansättning. Också, även om det är en sällsynt händelse, bara en effekt behövs."

I det här sammanhanget, gigantiska nedslag kan ses som lyckliga händelser och en påminnelse om hur kaotiska planetsystem är, Chau tillade. För inte bara har dessa typer av kollisioner en djupgående inverkan på en planets egenskaper (till exempel, Jord-månesystemet tros vara resultatet av en gigantisk påverkan), men baserat på exoplanetundersökningar, sådana fall verkar också vara ganska sällsynta.

Kanske är vårt solsystem unikt i flera avseenden, som inkluderar uppkomsten av liv och närvaron av gigantiska effekter som fundamentalt förändrade flera av dess planeter. Sedan igen, vi har egentligen bara börjat skrapa på ytan när det gäller upptäckter av exoplaneter, och vi kan hitta många Merkurius-liknande planeter där ute ännu.