En ny studie ifrågasätter den rådande hypotesen om varför Merkurius har en stor kärna i förhållande till sin mantel (skiktet mellan en planets kärna och skorpa). I årtionden, forskare hävdade att kollisioner med andra kroppar under bildandet av vårt solsystem blåste bort mycket av Merkurius steniga mantel och lämnade den stora, tät, metallkärna inuti. Men ny forskning avslöjar att kollisioner inte är skyldiga – det är solens magnetism.

William McDonough, professor i geologi vid University of Maryland, och Takashi Yoshizaki från Tohoku University utvecklade en modell som visar att densiteten, massa och järnhalt i en stenig planets kärna påverkas av dess avstånd från solens magnetfält. Tidningen som beskriver modellen publicerades den 2 juli, 2021, i journalen Framsteg inom jord- och planetvetenskap .

"De fyra inre planeterna i vårt solsystem - Merkurius, Venus, Jorden och Mars - består av olika proportioner av metall och sten, " McDonough sa. "Det finns en gradient där metallinnehållet i kärnan sjunker när planeterna kommer längre från solen. Vårt papper förklarar hur detta hände genom att visa att fördelningen av råmaterial i det tidigt bildade solsystemet styrdes av solens magnetfält."

McDonough har tidigare utvecklat en modell för jordens sammansättning som vanligtvis används av planetforskare för att bestämma sammansättningen av exoplaneter. (Hans framstående artikel om detta arbete har citerats mer än 8, 000 gånger.)

McDonoughs nya modell visar att under den tidiga bildandet av vårt solsystem, när den unga solen var omgiven av ett virvlande moln av damm och gas, järnkorn drogs mot mitten av solens magnetfält. När planeterna började bildas från klumpar av damm och gas, planeter närmare solen införlivade mer järn i sina kärnor än de längre bort.

Forskarna fann att densiteten och andelen järn i en stenig planets kärna korrelerar med styrkan på magnetfältet runt solen under planetbildning. Deras nya studie tyder på att magnetism bör tas med i framtida försök att beskriva sammansättningen av steniga planeter, inklusive de utanför vårt solsystem.

Sammansättningen av en planets kärna är viktig för dess potential att stödja liv. På jorden, till exempel, en smält järnkärna skapar en magnetosfär som skyddar planeten från cancerframkallande kosmiska strålar. Kärnan innehåller också majoriteten av planetens fosfor, vilket är ett viktigt näringsämne för att upprätthålla kolbaserat liv.

Med hjälp av befintliga modeller för planetbildning, McDonough bestämde hastigheten med vilken gas och damm drogs in i mitten av vårt solsystem under dess bildande. Han räknade in det magnetiska fältet som skulle ha genererats av solen när den bröt ut och beräknade hur det magnetfältet skulle dra järn genom damm- och gasmolnet.

När det tidiga solsystemet började svalna, damm och gas som inte drogs in i solen började klumpa ihop sig. Klumparna närmare solen skulle ha exponerats för ett starkare magnetfält och skulle därmed innehålla mer järn än de som är längre bort från solen. När klumparna smälte samman och svalnade till snurrande planeter, gravitationskrafter drog in järnet i sin kärna.

När McDonough införlivade denna modell i beräkningar av planetbildning, den avslöjade en gradient i metallinnehåll och densitet som stämmer perfekt överens med vad forskarna vet om planeterna i vårt solsystem. Kvicksilver har en metallisk kärna som utgör cirka tre fjärdedelar av dess massa. Jordens och Venus kärnor är bara ungefär en tredjedel av deras massa, och Mars, den yttersta av de steniga planeterna, har en liten kärna som bara är ungefär en fjärdedel av sin massa.

Denna nya förståelse av rollen magnetism spelar i planetbildning skapar en kink i studiet av exoplaneter, eftersom det för närvarande inte finns någon metod för att bestämma en stjärnas magnetiska egenskaper från jordbaserade observationer. Forskare antar sammansättningen av en exoplanet baserat på spektrumet av ljus som utstrålas från dess sol. Olika element i en stjärna sänder ut strålning i olika våglängder, så att mäta dessa våglängder avslöjar vad stjärnan, och förmodligen planeterna runt den, är gjorda av.

"Du kan inte längre bara säga, 'Åh, kompositionen av en stjärna ser ut så här, så planeterna runt den måste se ut så här, "" sa McDonough. "Nu måste du säga, "Varje planet kan ha mer eller mindre järn baserat på stjärnans magnetiska egenskaper i solsystemets tidiga tillväxt."

Nästa steg i detta arbete kommer att vara för forskare att hitta ett annat planetsystem som vårt – ett med steniga planeter spridda över stora avstånd från deras centrala sol. Om planeternas täthet sjunker när de strålar ut från solen på samma sätt som i vårt solsystem, forskare kunde bekräfta denna nya teori och dra slutsatsen att ett magnetfält påverkade planetbildningen.

Forskningsdokumentet, "Terrestrial planet kompositioner kontrollerade av accretion disk magnetfält, "McDonough, W. F. och Yoshizaki, T., publicerades den 2 juli, 2021, i journalen Framsteg inom jord- och planetvetenskap .