En ny studie från Caltech visar att jätteeffekter dramatiskt kan sänka planeternas inre tryck, ett fynd som avsevärt skulle kunna förändra den nuvarande modellen för planetbildning.

Effekterna, som den som tros ha orsakat bildningen av jordens måne för ungefär 4,5 miljarder år sedan, kan orsaka slumpmässiga fluktuationer i kärn- och manteltryck som skulle förklara några förbryllande geokemiska signaturer i jordens mantel.

"Tidigare studier har felaktigt antagit att en planets inre tryck helt enkelt är en funktion av planetens massa, och så ökar den kontinuerligt när planeten växer. Det vi har visat är att trycket tillfälligt kan förändras efter en stor påverkan, följt av en långsiktig ökning av trycket när kroppen återhämtar sig. Detta fynd har stora konsekvenser för planetens kemiska struktur och efterföljande evolution, säger Simon Lock, postdoktor vid Caltech och huvudförfattare till en artikel som förklarar den nya modellen som publicerades av Vetenskapens framsteg den 4 september.

Lock skrev tidningen tillsammans med kollegan Sarah Stewart (Ph.D. '02), professor i planetvetenskap vid University of California, Davis, en 2018 MacArthur Fellow, och en alumn från Caltech Division of Geological and Planetary Sciences.

Planetsystem börjar vanligtvis som en skiva av damm som långsamt samlas in i steniga kroppar. Slutet på huvudstadiet av denna process kännetecknas av högenergikollisioner mellan kroppar av planetstorlek när de smälter samman för att bilda de slutliga planeterna.

Chockenergin från dessa nedslag kan förånga betydande delar av en planet och till och med, som man tror har hänt med nedslaget som bildade månen, förvandla tillfälligt de två kolliderande kropparna till en roterande munk av planetmaterial känd som en "synestia, " som senare kyls tillbaka till en eller flera sfäriska kroppar.

Lock och Stewart använde beräkningsmodeller av jättenedslag och planetariska strukturer för att simulera kollisioner som bildade kroppar med massor av mellan 0,9 och 1,1 jordmassor och fann att, omedelbart efter en kollision, deras inre tryck var mycket lägre än förväntat. De fann att tryckminskningen berodde på en kombination av faktorer:den snabba rotationen som orsakades av kollisionen, som genererade en centrifugalkraft som verkade mot gravitationen, i huvudsak trycker material bort från spinnaxeln; och den låga densiteten av det varma, delvis förångad kropp.

"Vi har inga direkta observationer av tillväxten av jordliknande planeter. Det visar sig att en planets fysiska egenskaper kan variera vilt under deras tillväxt genom kollisioner. Vår nya syn på planetbildning är mycket mer varierande och energisk än tidigare modeller som öppnar dörren för nya förklaringar av tidigare data, " säger Stewart.

Slutresultatet är att stora effekter kan sänka en planets inre tryck avsevärt. Trycket direkt efter ett nedslag som det som tros ha bildat månen kunde ha varit hälften av dagens jord.

Om sant, fyndet kan hjälpa till att förena en långvarig motsättning mellan geokemin hos jordens mantel och fysiska modeller för planetbildning.

När protojorden växte, varje föremål som kolliderade med det levererade metall i manteln. Efter varje påverkan, metallen absorberade små mängder av andra element från manteln, och sedan sjönk till kärnan – dra de elementen med sig. Mängden av varje grundämne som löstes upp i metallen bestämdes, till viss del, av jordens inre tryck. Som sådan, den kemiska sammansättningen av manteln idag registrerar manteltrycket under planetens bildning.

Studier av metallerna i jordens mantel idag tyder på att denna absorptionsprocess inträffade vid tryck som finns i mitten av manteln idag. Dock, gigantiska nedslagsmodeller visar att sådana nedslag smälter det mesta av manteln, och så borde manteln ha registrerat ett mycket högre tryck - motsvarande det vi nu ser precis ovanför kärnan. Denna anomali mellan geokemiska observationer och fysikaliska modeller är en som forskare länge har försökt förklara.

Genom att visa att trycket efter jättepåverkan var lägre än man tidigare trott, Lock och Stewart kan ha hittat den fysiska mekanismen för att lösa denna gåta.

Nästa, Lock och Stewart planerar att använda sina resultat för att beräkna hur stokastiska förändringar i trycket under bildning påverkar planeternas kemiska struktur. Lock säger att de också kommer att fortsätta att studera hur planeter återhämtar sig från traumat av gigantiska nedslag "Vi har visat att trycket på planeter kan öka dramatiskt när en planet återhämtar sig, men vilken effekt har det på hur manteln stelnar eller hur jordens första skorpa bildades? Detta är ett helt nytt område som ännu inte har utforskats, " han säger.

Tidningen har titeln "Jätteeffekter förändrar stokastiskt det inre trycket från jordiska planeter."