Почему на Земле почти не сохранилось пород возрастом более 4 миллиардов лет? Новое исследование предлагает неожиданное объяснение. По мнению авторов, важную роль могло сыграть не только последующее движение литосферных плит, но и чрезвычайно интенсивная астероидная бомбардировка, которой подвергалась молодая Земля в первые сотни миллионов лет своей истории.

Речь идёт о катархейском эоне - периоде между формированием Земли около 4,5 миллиарда лет назад и началом архея примерно 4 миллиарда лет назад. От этого времени сохранилось крайне мало геологических свидетельств. До наших дней дошли лишь отдельные древние породы и кристаллы циркона, тогда как большая часть самой ранней земной коры бесследно исчезла.

До сих пор одной из основных причин этого учёные считали последующую переработку коры тектоникой плит. Однако группа геологов под руководством Тима Джонсона из Университета Кёртина предполагает, что значительная часть ранней коры могла вообще не успеть стать устойчивой.

Основой для новой работы стали данные о древней бомбардировке внутренних областей Солнечной системы. Хотя геологическая летопись ранней Земли почти уничтожена, следы этих столкновений хорошо сохранились на Луне, а также на Меркурии, Марсе, астероидах и в составе некоторых метеоритов. По мнению авторов, нет оснований считать, что Земля каким-либо образом избежала этой интенсивной бомбардировки.

Предыдущие исследования уже использовали лунные кратеры для оценки параметров бомбардировки молодой Земли: количества ударных тел, их размеров и примерного времени падения. Некоторые работы показывали, что эти столкновения могли уничтожить значительную часть древнейших пород. В новой статье исследователи сосредоточились на другом вопросе: что происходило с самой планетой под воздействием огромной энергии этих ударов.

Каждое крупное столкновение сопровождалось выделением колоссального количества энергии. Часть её расходовалась на образование кратеров и выброс вещества, однако значительная доля переходила в ударные волны, распространявшиеся через земную кору и мантию. По мере затухания эта энергия превращалась в тепло.

Ранее уже было показано, что даже один крупный удар способен поддерживать горячие гидротермальные системы на протяжении десятков тысяч лет. Согласно новому моделированию, суммарный тепловой эффект многочисленных столкновений в катархейском эоне мог оказаться сопоставимым или даже превысить внутренний тепловой поток самой Земли.

Авторы предполагают, что дополнительный нагрев поддерживал породы на небольшой глубине в частично расплавленном состоянии. В таких условиях формирование долговечной жёсткой коры и устойчивых континентов становилось крайне затруднительным. Если отдельные участки коры всё же возникали, последующие крупные удары могли вновь расплавлять их и возвращать вещество обратно в недра планеты.

Исследователи считают, что лишь после ослабления интенсивности астероидной бомбардировки в раннем архее кора постепенно остыла, утолщилась и стала достаточно прочной. Именно это создало условия для последующего формирования литосферных плит. Авторы также допускают, что поздние крупные удары могли участвовать и в разрушении уже сформировавшейся жёсткой литосферы, однако подчёркивают, что эта идея пока остаётся гипотезой.

Работа предлагает возможное объяснение сразу нескольким особенностям ранней истории Земли, включая почти полное отсутствие пород первых 500 миллионов лет существования планеты. Вместе с тем исследователи подчёркивают, что их выводы ещё предстоит проверить.

Астрономы предложили новую модель, которая впервые позволяет в рамках единой схемы объяснить особенности орбит молодых звёзд, окружающих сверхмассивную чёрную дыру Стрелец A*. Согласно новой работе, эти звёзды могли сформироваться одновременно из одного газового диска, а различие их нынешних орбит объясняется длительным гравитационным воздействием относительно близкого к чёрной дыре массивного объекта.

В непосредственной близости от чёрной дыры в центре нашей Галактики находятся молодые массивные звёзды возрастом не более 15 миллионов лет. Однако их орбиты сильно различаются, и именно это на протяжении многих лет оставалось одной из главных загадок центра Млечного Пути.

Астрономы выделяют три основные группы таких звёзд. Ближе всего к чёрной дыре расположено плотное скопление так называемых S-звёзд. Они более холодные и движутся по сильно вытянутым орбитам с произвольным наклоном. Дальше находится диск из более массивных и горячих звёзд, которые вращаются вокруг Стрельца A* в одном направлении. А вокруг них существует ещё одна, более разреженная популяция звёзд с орбитами самых разных наклонов, не образующая выраженной структуры.

До сих пор ни одна из предложенных моделей не могла одновременно объяснить существование всех трёх групп. Авторы новой работы предположили, что первоначально все эти звёзды сформировались в одном газовом диске вокруг сверхмассивной чёрной дыры. Затем на протяжении миллионов лет на их движение воздействовал ещё один объект массой около 10 тысяч Солнечных. Согласно модели, это могла быть либо чёрная дыра промежуточной массы, либо очень плотное звёздное скопление, вращающееся вокруг Стрельца A* на большем расстоянии.

При этом и сами звёзды воздействовали друг на друга своим тяготением. Постепенно они перераспределяли между собой энергию и угловой момент. В результате орбиты внутренних звёзд становились всё более хаотичными, что, согласно модели, привело к формированию наблюдаемой сегодня популяции S-звёзд, тогда как внешний звёздный диск в значительной степени сохранил свою первоначальную структуру.

Компьютерное моделирование показало, что такая схема воспроизводит все основные особенности наблюдаемой системы. Она объясняет случайные наклоны и высокие эксцентриситеты орбит S-звёзд. Также, в отличие от предыдущих моделей, она воспроизводит существование упорядоченного вращающегося диска и недавно обнаруженный дефицит S-звёзд в определённом диапазоне орбит. При этом все изменения укладываются в реальный возраст звёзд.

Авторы работы также предполагают, что роль второго массивного объекта может играть звёздное скопление IRS-13E, расположенное примерно в 0,13 парсека от центральной чёрной дыры. В дальнейшем исследователи рассчитывают проверить эту гипотезу с помощью более точных наблюдений за движением и внутренней структурой этого скопления.

Астрономы обнаружили сразу две необычайно разреженные экзопланеты - TOI-791-b и TOI-791-c. Несмотря на размеры, сравнимые с Юпитером, их масса оказалась настолько мала, что средняя плотность обеих планет сопоставима с плотностью сахарной ваты. По расчётам исследователей, это самые рыхлые планеты из всех известных на сегодняшний день.

Планеты обращаются вокруг звезды TOI-791, похожей на Солнце и расположенной примерно в 1113 световых годах от Земли. Их обнаружил космический телескоп TESS, который фиксирует небольшие падения яркости звёзд во время прохождения планет по их диску. Дальнейший анализ показал, что TOI-791-b по размерам почти не отличается от Юпитера, но её масса составляет всего около 3% массы крупнейшей планеты Солнечной системы. TOI-791-c ещё крупнее Юпитера, однако её масса составляет лишь около 5,9% массы Юпитера.

Ещё одной особенностью планет стали необычно длинные орбитальные периоды. TOI-791-b совершает один оборот вокруг своей звезды за 139 суток, а TOI-791-c - за 232 суток. Планеты с такими длительными периодами обращения обнаруживаются редко, поскольку для их подтверждения необходимы продолжительные непрерывные наблюдения. За семь лет работы TESS накопил для этой системы 1122 дня наблюдений, что позволило надёжно определить параметры обеих планет.

Исследователи также выяснили, что планеты находятся в орбитальном резонансе и заметно влияют друг на друга своей гравитацией. Из-за этого моменты их прохождения по диску звезды немного смещаются относительно строгого графика. Анализ этих вариаций позволил вычислить массы планет и подтвердить, что они действительно относятся к крайне редкому классу сверхразреженных гигантов.

Сейчас известно лишь несколько подобных объектов, а системы, содержащие сразу две такие планеты, встречаются ещё реже. По словам авторов работы, именно поэтому TOI-791-b и TOI-791-c представляют большой интерес для изучения процессов формирования и эволюции планетных систем.

В дальнейшем астрономы рассчитывают исследовать химический состав атмосфер обеих планет, их форму, скорость вращения и взаимное расположение орбит относительно оси вращения звезды. Эти данные помогут понять, как подобные сверхразреженные планеты формируются, как они мигрируют внутри своих планетных систем и почему при размерах, сравнимых с Юпитером, обладают столь малой массой.

Космический телескоп Джеймса Уэбба провёл детальное спектроскопическое исследование необычного холодного объекта GJ504b, расположенного менее чем в 60 световых годах от Земли. Анализ его спектра показал, что атмосфера этого мира, вероятно, содержит облака из солей, а также водяной пар, метан, аммиак, угарный газ и сероводород. По словам авторов исследования, этот объект оказался непохожим ни на что из того, что им приходилось анализировать ранее.

GJ504b был открыт ещё в 2013 году. Он обращается вокруг звезды, похожей на Солнце, на расстоянии более чем в 40 раз превышающем расстояние от Земли до Солнца - дальше орбиты Плутона. До сих пор астрономы не пришли к единому мнению, что представляет собой этот объект. Он может быть как очень массивной планетой, так и коричневым карликом - объектом, занимающим промежуточное положение между планетами и звёздами. Поэтому в работе его называют «объектом планетной массы».

Ранее изучить GJ504b было крайне сложно из-за его низкой температуры и слабого свечения. Именно поэтому он оказался подходящей целью для наблюдений телескопом Джеймса Уэбба, работающим в инфракрасном диапазоне. Полученные данные позволили уточнить характеристики объекта. Согласно оценкам, его радиус примерно на 10% меньше радиуса Юпитера, однако масса достигает примерно 25 масс Юпитера. (Это масса полноценного бурого карлика) Температура атмосферы составляет около 290 °C, что значительно ниже температуры большинства более молодых подобных объектов. Таким образом, возраст GJ504b может составлять от 2,5 до 4,5 миллиардов лет.

При попытке воспроизвести наблюдаемый спектр с помощью атмосферных моделей исследователи столкнулись с проблемой. Без дополнительного источника непрозрачности расчёты приводили к физически малореалистичному распределению температуры в атмосфере. Учёные проверили модели с тремя различными типами облаков. Наилучшее совпадение с наблюдениями дали соляные облака.

Авторы предполагают, что такие облака могут состоять из хлорида калия или сульфида цинка. Учёт таких облаков ослабил вклад молекул, расположенных в более глубоких слоях атмосферы, благодаря чему модель стала физически согласованной. Кроме того, спектральный анализ выявил признаки присутствия воды, угарного газа, метана, аммиака и сероводорода. Также исследователи обнаружили, что атмосфера GJ504b, вероятно, обогащена углеродом, кислородом и, возможно, серой по сравнению с его звездой.

Авторы отмечают, что такое обогащение тяжёлыми элементами может указывать на то, что GJ504b сформировался как планета в протопланетном диске, а не возник по сценарию образования коричневых карликов, несмотря на столь большую массу. Поэтому пока природа этого объекта остаётся не до конца понятной.

Интересно, что после открытия GJ504b в 2013 году исследователи предположили, что она может иметь необычный розовато-пурпурный оттенок. Тогда сотрудник Центра космических полётов имени Годдарда Майкл Макэлвейн сказал: «Если бы мы могли отправиться на эту гигантскую планету, мы бы увидели мир, всё ещё светящийся остаточным теплом своего рождения. Его цвет напоминает тёмно-вишнёвый или тускло-пурпурный». Именно благодаря этому GJ504b получила неофициальное прозвище «Розовая планета».