A Naprendszer hajnalán, 4,5 milliárd évvel ezelőtt egy Mars méretű bolygó találta el az ősi Földet. A Theia kataklizmikus becsapódásából keletkező törmelék hozta létre a Holdat, és ezzel örökre megváltoztatta bolygónk és a később rajta kialakuló élőlények sorsát.

Ehhez képest sokáig úgy tűnt, hogy nem fogunk tudni közvetlen bizonyítékot találni a Theia létezésére. Ezen segíthet változtatni egy szerdán a Nature folyóiratban közölt kutatás, ami szerint a földköpeny mélyén rejtőző két kolosszális struktúra a Földnek ütköző bolygó maradványaiból áll.

Jüan Csien, a Kaliforniai Műszaki Egyetem (Caltech) geofizikusa és kollégái azt állítják, hogy számítógépes szimulációk segítségével most erre találtak bizonyítékot. Ezek szerintük arra utalnak, hogy az úgynevezett alacsony sebességű tartományok (large low-velocity provinces, LLVPs) a Theia köpenyének darabjaiból jöttek létre.

„Ez egy érdekes kutatás, ami adatok és szimulációk széles körét kombinálja, hogy a Föld alacsony sebességű tartományainak (LLVP-k) földönkívüli eredete mellett érveljen” – nyilatkozta a Qubitnek Fred Richards, az Imperial College London geológusa, aki a Föld belső viselkedésének a felszíni folyamatokra gyakorolt hatását vizsgálja.

Ugyanakkor a kutatók által a különböző szimulációkban használt feltételezések ellentmondásossága, egyes kulcsfontosságú változók pontatlansága, valamint a Theia köpenyének Csienék által feltételezett összetétele és a független bizonyítékok közötti potenciális ellentmondás miatt Richards nincs meggyőződve arról, hogy a modell életképes. „A hipotézisük talán működhet, de szerintem még nem tettek le eleget az asztalra ahhoz, hogy ezt bizonyítsák” – írta kérdésünkre.

A mag-köpeny-határ felett, kevesebb mint 2900 kilométeres mélységben elhelyezkedő, LLSVP-nek is nevezett formációk több ezer kilométeres kiterjedésűek és sűrűbbek vagy forróbbak környezetüknél, ezért lassabban terjednek bennük a nyírási (S) rengéshullámok. Az egyik LLVP nagyjából Afrika, míg a másik a Csendes-óceán alatt található.

Tavaly már írtunk arról, hogy Csien egy 2021-es bolygókutatói konferencián bemutatta korai eredményeit a struktúrák eredetéről. Ezt, mint akkor részleteztük, támogatni látszanak olyan geokémiai vizsgálatok, amik szerint az LLVP-k több mint 4 milliárd évesek lehetnek. Ez ugyanis kizárná, hogy teljes egészében az 1-2 milliárd évvel később kezdődő lemeztektonikai folyamatok melléktermékeként képződtek.

Richards szerint ha a szerzőknek igazuk van, a Theia köpeny anyaga segítette stabilizálni a formációkat. A relatíve stabil LLVP-k pedig így bolygónk 4,5 milliárd éves története során többek közt befolyásolhatták a Föld szuperkontinens ciklusának kezdetét és alakulását, valamint a Föld mágneses terének fejlődését.

Nem ritkák az ekkora ütközések a bolygók keletkezése során

A kutatás nemcsak az ősi Föld formálódásába és a Hold létrejöttébe nyújthat betekintést, hanem a bolygókeletkezés leghevesebb szakaszába is. Csien és kollégái azt állítják, hogy mivel a Föld és a Theia ütközéséhez hasonló események a bolygók létrejöttének természetes részei, így más égitestek köpenyében is lehetnek az LLVP-kre hajazó régiók. Azt, hogy miként nézhetett ki ez a kozmikus ütközés, jól érzékelteti a Teng Hung-ping által készített szimuláció:

Richards szerint a modellek azt mutatják, hogy Csienék hipotézise akkor működhet, ha a következő feltételek teljesülnek:

• a Holdat létrehozó becsapódás után a Föld tömegének 1 százalékát kitevő mennyiségű Theia-köpenyanyag jutott el a Föld növekvő, szilárd alsó köpenyébe;
• a Theia köpenyanyagában kétszer annyi vas volt, mint a földköpenyben;
• a Theia köpenyének darabkái elég nagyok – nagyjából 50 kilométeres sugarúak – voltak ahhoz, hogy lesüllyedhessenek a mag-köpeny-határra, mielőtt elkeveredtek volna a köpeny felső, olvadt rétegével.

A geológus szerint valójában mindháromról tudományos vita zajlik, és a kutatók modelljei nem foglalkoznak azzal, hogy ezek a kritériumok plauzibilisek-e, vagy egyenesen olyan feltételezéseket fogadnak el, amik a modelleken belül nincsenek összhangban egymással.

Nem világos, hogy jobb-e, mint az alternatív hipotézisek

A számítások szerint az LLVP-k a Föld teljes tömegének jelentős hányadát, 1-6 százalékát teszik ki. Richards azt állítja, hogy Csienék legnagyobb felbontású becsapódásszimulációi nagyjából a megfelelő mennyiségű Theia-köpenyanyagot juttatják az alsó földköpenybe. Azonban ahhoz, hogy tényleg ez adja az LLVP-k sűrű komponensét, a modellek mind jóval kisebb Theia-tömeggel (a Föld tömegének 10 százaléka) számolnak, mint ami a feltételezett kémiai összetételhez passzol (a Föld tömegének 40 százaléka). Utóbbi forgatókönyvvel szerinte az a probléma, hogy így túl sok anyag jutott volna a Theiaból a köpenybe, ami ellentmondana a meglévő és egymástól független geodinamikai, geodéziai, és szeizmológiai információknak.

„A szimulációkban használt Theia-tömeg, valamint a köpeny anyagának összetétele és sűrűsége közötti ellentmondás miatt nehéz értelmezni a becsapódási modelljeik jelentőségét” – írta Richards. A Csienék által használt geodinamikai szimuláció alapján a Theia köpenyének anyaga eredendően 2-3,5 százalékkal sűrűbb lehetett az ősi földköpenynél. Ezzel szerintük egybevág az is, hogy a holdköpenyben több a vas-oxid, mint a földköpenyben, mivel a Hold a legtöbb becsapódási forgatókönyvben többnyire a Theia köpenyének anyagaiból áll össze. Richards azt állítja, hogy a Theia -köpenyanyag vastartalmára holdi kőzetminták hidrogénizotóp-arányaiból következtetnek a kutatók, de még mindig vita van arról, hogy a mért arányokat mennyire módosítja a napszél hatása.

Richards szerint a Csienék által lefuttatott geodinamikai modell azt mutatja, hogy a Theia-köpeny anyaga csak akkor alkothat LLVP-khez hasonló struktúrákat, ha a darabkái hozzávetőleg 50 kilométer sugarúak, miközben egyáltalán nem egyértelmű, hogy ekkora darabok át tudták vészelni a Holdat létrehozó nagy energiájú becsapódást. A „hipotézis egybevág egyes geokémiai és geofizikai megfigyelésekkel, de nem világos, hogy tényleg annyira jól megfelel-e az összes mérés és megfigyelés által támasztott követelménynek, mint az alternatív hipotézisek” – írta. Ilyenek például, hogy az LLVP-k a Föld korai kérgének a mélybe süllyedt darabkáiból állnak, vagy hogy egy köpeny alján elterülő magmaóceán kikristályosodása során jöttek létre.

Amikor Csienék a modellből vett hőmérsékleti és összetétel adatokkal kiszámolták, hogy azok alapján mennyivel csökkenne a szimulált LLVP-kben a nyírási rengéshullámok sebessége, 1-5 százalékot kaptak. Ez pedig szerintük egyezik a valós szeizmikus megfigyelésekkel. Richards viszont azt állítja, hogy a helyzet nem ilyen egyszerű: bár tényleg ki tudják hozni a megfigyelt alacsony nyírásihullám-sebességet, más szeizmikus adatok szilíciumban gazdag anyagok jelenlétére utalnak az LLVP-kben, miközben a Theia-köpeny anyagában kevesebb szilícium lehetett, mint a földköpenyben.

A szimuláció egy dolog, de hogyan lehetne mindezt bizonyítani?

Miként lehetne vizsgálni a hipotézist a számítógépes modellek továbbfejlesztésén túl? Az LLSVP-khez a köpenyben úgynevezett köpenyfeláramlások kötődnek, amelyek révén a köpenyt alkotó anyagok a mélyből a földfelszín közelébe jutnak. A tanulmány szerzői szerint a megoldás az ilyen, a felszínre vagy az óceáni aljzatra jutó anyagok kémiai és izotópos összetételének vizsgálata, és ezeknek holdi bazaltokkal történő összehasonlítása lehet.

Arra a kérdésünkre, hogy milyen minták segíthetnének tesztelni Csienék hipotézisét, Richards úgy reagált, hogy hasznos lenne megvizsgálni azokat a kőzeteket, amiket a jövőbeli küldetések a Hold déli pólusán gyűjtenek be. Ezek izotópösszetételét ugyanis az idők során kevésbé módosította a napszél, így megbízhatóbban lehetne belőlük következtetni a Theia tömegére és összetételére. A kutató szerint azt is érdemes lenne megvizsgálni, hogy a Föld tömegének 40 százalékát adó Theia becsapódása az LLVP-k valós nagyságával egybevágó mennyiségű anyagot juttat-e a földköpenybe, és tényleg le tudnak-e süllyedni oda a Theia köpenyéből a kataklizma során keletkező darabkák.

Kapcsolódó cikkek a Qubiten: