قد تكون المقاطعات الكبيرة ذات السرعة المنخفضة (LLVPs) في وشاح الأرض العميق من بقايا مادة الوشاح. الائتمان: هونغ بينغ دينغ واستوديو هانغتشو المجال

تشير دراسة أجراها معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا إلى أن هيكلين ضخمين وغنيين بالحديد في أعماق عباءة الأرض هما بقايا الكوكب القديم ثيا الذي اصطدم بالأرض وشكل القمر. يجيب هذا الاكتشاف على أسئلة قديمة حول أصل القمر ومصير ثيا.

في ثمانينيات القرن العشرين، توصل علماء الجيوفيزياء إلى اكتشاف مذهل: تم العثور على نقطتين بحجم قارة من مواد غير عادية في أعماق باطن الأرض، واحدة تحت القارة الأفريقية وواحدة تحت المحيط الهادئ. ويبلغ حجم كل فقاعة ضعف حجم القمر، وتتكون من نسب مختلفة من العناصر مقارنة بالقشرة المحيطة بها.

ظهور مقاطعات كبيرة منخفضة السرعة

من أين تأتي هذه الفقاعات الغريبة – المعروفة رسميًا باسم المقاطعات الكبيرة ذات السرعة المنخفضة (LLVPs) -؟ تشير دراسة جديدة أجراها باحثون من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا إلى أنها بقايا كوكب قديم اصطدم بالأرض بعنف منذ مليارات السنين في نفس التأثير العملاق الذي شكل قمرنا.

الأطروحة نشرت في المجلة طبيعة في الأول من نوفمبر، يقترح علم الكواكب الآخر أيضًا إجابة لهذا اللغز. لقد افترض الباحثون منذ فترة طويلة أن القمر تشكل نتيجة اصطدام عملاق بين الأرض وكوكب أصغر يسمى ثيا، ولكن لم يتم العثور على أي أثر لثيا في حزام الكويكبات أو في النيازك. تشير الدراسة الجديدة إلى أن معظم ثيا تم امتصاصه في الأرض الفتية، لتشكل LLVPs، بينما اندمجت بقية الحطام مع القمر.

تصور للأرض مع “فقاعات” كثيفة كبيرة بالقرب من قلب الأرض. تم اكتشاف هذه الفقاعات في الثمانينات. الآن، يقترح الباحثون أنها في الواقع بقايا كوكب قديم، ثيا، الذي اصطدم بالأرض ليشكل القمر. الائتمان: إدوارد كارنيرو

منهجية البحث والنتائج

بول أسيموف (MS’93، دكتوراه’97)، إليانور وجون ر. قاد البحث تشيان يوان، باحث ما بعد الدكتوراه في OK Earl، في مختبرات أساتذة الجيولوجيا والكيمياء الجيولوجية في جامعة ماكميلان. و مايكل جورنيس، جون إي. و هازل س. سميتس أستاذ الجيوفيزياء وكلارنس ر. ألين هو رئيس القيادة، ومدير مختبر الزلازل في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا، ومدير أكاديمية شميدت لهندسة البرمجيات في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا.

اكتشف العلماء لأول مرة LLVPs عن طريق قياس الموجات الزلزالية التي تنتقل عبر الأرض. تنتقل الموجات الزلزالية بسرعات مختلفة عبر مواد مختلفة، وفي الثمانينات، ظهرت أولى التلميحات لتغيرات ثلاثية الأبعاد واسعة النطاق في أعماق بنية الأرض. وفي أعماق الوشاح، تهيمن على شكل الموجة الزلزالية بصمات بنائين كبيرين بالقرب من قلب الأرض يعتقد الباحثون أنهما يحتويان على كميات كبيرة بشكل غير عادي من الحديد. ويعني هذا المحتوى العالي من الحديد أنه نظرًا لأن المناطق أكثر كثافة من المناطق المحيطة بها، فإن الموجات الزلزالية التي تنتقل عبرها تكون أبطأ، مما يؤدي إلى اسم “المقاطعات الكبيرة منخفضة السرعة”.

وحضر يوان، وهو عالم جيوفيزيائي من خلال التدريب، ندوة عام 2019 حول تكوين الكواكب قدمها مايكل زولوتوف، الأستاذ في جامعة ولاية أريزونا. واقترح زولوتوف فرضية الاصطدام العملاق، بينما أشار تشيان إلى أن القمر غني بالحديد. وأضاف زولوتوف أنه لم يتم العثور على أي أثر لاصطدام كان من المفترض أن يضرب الأرض.

يقول يوان: “لقد حظيت بلحظة اكتشاف مباشرة بعد أن أخبرني مايكل أنه لا أحد يعرف مكان ارتطام الجسم الآن، وأدرك أن الاصطدام الغني بالحديد ربما تحول إلى فقاعات عباءة”.

محاكاة تفصيلية لضرب ثيا الأرض. على الرغم من أن الاصطدام كان عنيفًا، إلا أنه لم يكن قويًا بما يكفي لإذابة الوشاح السفلي للأرض، مما يعني أنه يمكن الحفاظ على بقايا ثيا من الاختلاط بشكل متجانس مع مواد الأرض. الائتمان: هونغ بينغ دينغ

عمل يوان مع مجموعة متنوعة من المتعاونين لتصميم سيناريوهات مختلفة للتركيب الكيميائي لثيا وتأثيره على الأرض. أكدت عمليات المحاكاة أن فيزياء الاصطدام يمكن أن تؤدي إلى تكوين كل من LLVP والقمر. ربما كان بعض عباءة ثيا مرتبطًا بعباءة الأرض، والتي تبلورت معًا في النهاية، لتشكل النقطتين المتميزتين اللتين يمكن اكتشافهما اليوم عند حدود الوشاح الأساسي للأرض؛ واختلط الحطام الآخر الناتج عن الاصطدام معًا لتكوين القمر.

الآثار والبحوث المستقبلية

بسبب هذا التأثير العنيف، لماذا التصقت مادة ثيا بنقطتين منفصلتين بدلاً من الاندماج مع بقية الكوكب؟ أظهرت عمليات المحاكاة التي أجراها الباحثون أن معظم الطاقة الناتجة عن اصطدام ثيا كانت في النصف العلوي من القشرة، وهو جزء أكثر برودة من الوشاح السفلي للأرض مقارنة بنماذج الاصطدام السابقة ذات الدقة الأقل. نظرًا لأن الوشاح السفلي لم يذوب تمامًا بسبب الاصطدام، ظلت فقاعات المواد الغنية بالحديد من ثيا سليمة إلى حد كبير أثناء غربلتها إلى قاعدة الوشاح، مثل الكتل الملونة من شمع البارافين في مصباح الحمم البركانية المنطفأ. لو كان الوشاح السفلي أكثر سخونة (أي أنه تلقى المزيد من الطاقة من الاصطدام)، لكان قد اختلط بشكل أكثر دقة مع المواد الغنية بالحديد، مثل الألوان في خلط الدهانات.

ستكون الخطوات التالية هي استكشاف كيفية تأثير الحالة الأولية لمادة ثيا غير المتجانسة الموجودة في أعماق الأرض على العمليات الداخلية لكوكبنا.

يقول أسيموف: “النتيجة المنطقية لفكرة أن LLVPs هي بقايا ثيا هي أنها قديمة جدًا”. “لذلك، فمن المنطقي أن ندرس بعد ذلك ما هي العواقب التي خلفتها على تطور الأرض المبكر، مثل الاندساس الذي بدأ قبل أن تكون الظروف مناسبة لتكتونية الصفائح الحديثة، وتكوين القارات الأولى، وأصل المعادن الأرضية البدائية. “

بحث جديد يجيب على لغزين طويلين في علم الكواكب: ما هي “الفقاعات” الغامضة العملاقة القريبة من قلب الأرض، وماذا حدث للكوكب الذي اصطدم بالأرض ليشكل القمر؟ تشير دراسة جديدة من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا إلى أن بقايا هذا الكوكب القديم لا تزال موجودة داخل الأرض، مما يفسر ظهور “الفقاعات” بالقرب من حدود الوشاح الأساسي.

المرجع: تشيان يوان، مينجمينج لي، ستيفن ج. ديش، بيونج كوان كو، هونج بينج دينج، إدوارد ج. كارنيرو، ترافيس SJ. غابرييل، جاكوب أ. “تأثير تشكل القمر كمصدر لشذوذ عباءة الأرض” بقلم جيكريس ويوشينوري ميازاكي وفنسنت إيه كيه وبول د. عظيموف، 32 أكتوبر 2023، طبيعة.
دوى: 10.1038/s41586-023-06589-1

تشيان يوان هو المؤلف الأول. بالإضافة إلى يوان وأسيمو، هناك مؤلف مشارك إضافي في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا، يوشينوري ميازاكي، وهو باحث مشارك في مرحلة ما بعد الدكتوراه في جامعة ستانباك في تطور الكواكب المقارن. المؤلفون المشاركون الإضافيون هم مينجمينج لي، وستيفن ديش، وإدوارد كارنيرو (الدكتوراه ’94) من جامعة ولاية أريزونا (ASU)؛ بيونجكوان كو من جامعة ولاية أريزونا وجامعة ولاية ميشيغان؛ هونغ بينغ دينغ من الأكاديمية الصينية للعلوم؛ ترافيس غابرييل من هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية؛ جاكوب كيجيريس ناسامركز أبحاث AIIMS؛ وفنسنت آكي من جامعة دورهام. تم توفير التمويل من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم، وزمالة أوكي إيرل لما بعد الدكتوراه في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا، وهيئة المسح الجيولوجي الأمريكية، ووكالة ناسا، ومركز معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا لتطور الكواكب المقارن.