Τι κρύβεται πίσω από την καθυστερημένη ανάπτυξη του Άρη;
Η εξήγηση γιατί ο Άρης είναι τόσο μικρότερος και συσσωρεύεται πολύ πιο γρήγορα από τη Γη είναι ένα μακροχρόνιο πρόβλημα στην πλανητική επιστήμη. Όπως η Γη, η τροχιά του Άρη τον τοποθετεί στην δυνητικά κατοικήσιμη ζώνη του Ήλιου. Ωστόσο, η συνολική του μάζα είναι μόνο περίπου 10% εκείνης της Γης. πολύ μικρό για να έχει ακόμα την εσωτερική θερμότητα και τη μαγνητική δραστηριότητα για να διατηρήσει μια ατμόσφαιρα.
Αυτό που κάνει τον Άρη τόσο ενδιαφέρον για τους αστροφυσικούς και τους πλανητικούς γεωλόγους είναι ότι οι ισοτοπικές αναλύσεις των λίγων μετεωριτών που έχουμε από τον Άρη φαίνεται να υπονοούν ότι σχηματίστηκε σε λίγα μόνο εκατομμύρια χρόνια. Η Γη, από την άλλη πλευρά, πιστεύεται ότι χρειάστηκε περίπου δεκάδες έως εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια για να μεγαλώσει στο σημερινό της μέγεθος. Επειδή τα αρχέγονα δομικά στοιχεία του Άρη πιστεύεται ότι ήταν πολύ παρόμοια με αυτά της Γης, κάποια διαδικασία ή γεγονός πρέπει να έχει σταματήσει την ανάπτυξή του μετά από λίγα εκατομμύρια χρόνια. Για αυτούς τους λόγους, ο Άρης αναφέρεται συχνά ως λανθάνον πλανητικό έμβρυο.
Ενώ πολλά ανταγωνιστικά εξελικτικά μοντέλα του ηλιακού συστήματος επικαλούνται δραστικά σχέδια πλανητικής μετανάστευσης ή νέους τρόπους προσαύξησης για να εξηγήσουν το μικρότερο μέγεθος του Άρη, η μελέτη μας προσφέρει μια απλούστερη αφήγηση. Ξεκινάμε με την υπόθεση ότι το κορυφαίο μοντέλο για την εξήγηση της σύνθεσης του εξωτερικού ηλιακού συστήματος (Δίας, Κρόνος, Ουρανός, Ποσειδώνας, τα φεγγάρια τους και πολλά παγωμένα σώματα κομητών όπως ο Πλούτωνας) μπορεί επίσης να εξηγήσει τη χαμηλή μάζα του Άρη.
Το μοντέλο της Νίκαιας (όπως στη Νίκαια της Γαλλίας) εξηγεί πολλές από τις ιδιαιτερότητες του εξωτερικού ηλιακού συστήματος επικαλούμενος μια πρώιμη πλανητική αστάθεια. Αυτή η αναδιάταξη του μεγέθους και των σχημάτων των τροχιών των γιγάντιων πλανητών (Δίας, Κρόνος, Ουρανός και Ποσειδώνας) συνδέθηκε αρχικά με τον Ύστερο Βαρύ Βομβαρδισμό. μια αντιληπτή ακίδα στο αρχείο κρατήρων της Σελήνης περίπου 600 εκατομμύρια χρόνια μετά τη δημιουργία του ηλιακού συστήματος. Ωστόσο, καλύτερες εικόνες υψηλής ανάλυσης από διαστημόπλοια όπως το Lunar Reconnaissance Orbiter και το GRAIL, σε συνδυασμό με βελτιωμένες τεχνικές χρονολόγησης των δειγμάτων Apollo άλλαξαν δραστικά την κατανόησή μας για την πρώιμη ιστορία της Σελήνης την τελευταία δεκαετία. Ως αποτέλεσμα, πολλές πρόσφατες μελέτες έχουν θέσει υπό αμφισβήτηση την ύπαρξη του Ύστερου Βαρύ Βομβαρδισμού. Έτσι, η πλανητική αστάθεια εξακολουθεί να είναι το καλύτερο μοντέλο που έχουμε για να εξηγήσουμε τη δομή του εξωτερικού ηλιακού συστήματος, αλλά θα μπορούσε να είχε συμβεί ανά πάσα στιγμή.
Δεδομένου ότι η αστάθεια του Μοντέλου της Νίκαιας έχει ήδη αποδειχθεί σε προηγούμενες μελέτες ότι είναι προβληματική για την επιβίωση των πλήρως σχηματισμένων επίγειων πλανητών (Ερμής, Αφροδίτη, Γη και Άρης), η εργασία μας ρωτά εάν μια αστάθεια που συμβαίνει ενώ οι εσωτερικοί πλανήτες ακόμη σχηματίζονταν μπορεί να είναι ένας επιτυχημένος μηχανισμός για την ανάπτυξη ενός ηλιακού συστήματος που ταιριάζει με το δικό μας. Επειδή τα αέρια περιβλήματα τους υποδηλώνουν ότι σχηματίστηκαν ενώ αέριο ήταν ακόμα παρόν στον αρχέγονο πορτοπλανητικό δίσκο του ήλιου, οι γιγάντιοι πλανήτες σχηματίστηκαν πολύ πιο γρήγορα από τους μικρότερους επίγειους πλανήτες και, επομένως, μπορούν να έχουν μεγάλη επίδραση στην ανάπτυξη των εσωτερικών πλανητών. /P>
Για να το μελετήσουμε αυτό, πραγματοποιήσαμε σχεδόν 1000 προσομοιώσεις N-σώματος του προτεινόμενου σεναρίου μας χρησιμοποιώντας υπολογιστικούς πόρους που παρέχονται από το Κέντρο Υπερυπολογιστών του Πανεπιστημίου της Οκλαχόμα για Εκπαίδευση και Έρευνα (OSCER) και το Εθνικό Κέντρο για Εφαρμογές Υπερυπολογιστών (NCSA) Παρατεταμένη κλίμακα peta. υπολογιστικό έργο. Το σχήμα 1 δείχνει ένα παράδειγμα time-lapse της εξέλιξης ενός επιτυχημένου συστήματος πλανητών. Όταν ακολουθεί η αστάθεια, η πρωτο-Γη και η πρωτο-Αφροδίτη συνεχίζουν να αναπτύσσονται, ενώ το ανάλογο του Άρη σταματά να συσσωρεύει μεγάλα έμβρυα.
Διαπιστώσαμε ότι όταν χρονομετρούμε την αστάθεια του γιγαντιαίου πλανήτη λίγα μόλις εκατομμύρια χρόνια αφότου αρχίσουν να σχηματίζονται οι εσωτερικοί πλανήτες, ο "Άρης" είναι μόνο ένα από τα πολλά αντικείμενα μεγέθους του Άρη στη γενική γειτονιά του που τελικά θα συνδυαζόταν σε έναν πολύ μεγαλύτερο πλανήτη αν αφεθεί μόνος. Το αποτέλεσμα της αστάθειας είναι ότι οι τροχιές των γιγάντιων πλανητών γίνονται όλο και πιο ελλειπτικές (μη κυκλικές) για μια χρονική περίοδο. Αυτή η αυξημένη διέγερση στο σύστημα διαταράσσει επίσης το σχηματιζόμενο επίγειο σύστημα, ιδιαίτερα την περιοχή σχηματισμού του Άρη και τη ζώνη των αστεροειδών.
Αυτό εμποδίζει τα αντικείμενα μεγέθους του Άρη να ενωθούν τελικά σε έναν μεγαλύτερο πλανήτη. Στην πραγματικότητα, τα περισσότερα εκτοξεύονται από το ηλιακό σύστημα ή μετατοπίζονται προς τα μέσα προς την Αφροδίτη και τη Γη, συχνά παρέχοντας πτητικό πλούσιο υλικό. Σε πολλές περιπτώσεις, το σύστημα τελειώνει με ένα μόνο αντικείμενο στο μέγεθος του Άρη κοντά στη σύγχρονη τροχιά του Άρη, του οποίου η προσαύξηση καθυστέρησε τη στιγμή της αστάθειας. Η Γη και η Αφροδίτη, ωστόσο, ενοχλούνται λιγότερο από τους γιγάντιους πλανήτες και συνεχίζουν να αναπτύσσονται.
Έτσι, το μοντέλο μας εξηγεί φυσικά τη διαφορά μεταξύ των χρόνων σχηματισμού της Γης και του Άρη. Επιπλέον, η μελέτη μας προσφέρει ένα ενιαίο και κομψό μοντέλο για το σχηματισμό του ηλιακού συστήματος στο σύνολό του. Οι προσομοιώσεις μας είναι οι πρώτες που αναπαράγουν ταυτόχρονα πολλά παρατηρούμενα χαρακτηριστικά τόσο του εσωτερικού όσο και του εξωτερικού ηλιακού συστήματος. Στην πραγματικότητα, η επιτυχία των προσομοιώσεων γήινων πλανητικών σχηματισμών φαίνεται να συνδέεται σε μεγάλο βαθμό με τη λεπτομερή εξέλιξη των δύο γιγάντιων πλανητών του ηλιακού συστήματος:του Δία και του Κρόνου. Συστήματα στην εργασία μας όπου οι τροχιές μετά την αστάθεια του Δία και του Κρόνου είναι πιο παρόμοιες με τις τρέχουσες τροχιές τους παρήγαγαν επίσης συστήματα επίγειων πλανητών που έμοιαζαν καλύτερα με το σημερινό ηλιακό σύστημα.
Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Ανάπτυξη του Άρη που καθυστερεί από μια πρώιμη αστάθεια γιγάντια πλανήτη, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Icarus . Αυτή η εργασία διεξήχθη από τους Matthew S Clement και Nathan A Kaib από το Πανεπιστήμιο της Οκλαχόμα, Sean N. Raymond από το Πανεπιστήμιο του Bordeaux, Γαλλία και Kevin J. Walsh από το Southwest Research Institute.
