Вчені з Університету штату Арізона, Каліфорнійського технологічного інституту в Пасадені та Даремського університету у Великій Британії з’ясували, що масивні аномалії в мантії Землі, відомі як великі області з низькою швидкістю зсуву, насправді є залишками планети Тейя. Ця планета врізалася в Землю приблизно 4,5 мільярда років тому, що призвело до формування Місяця. Результати дослідження представлені у статті, опублікованій у журналі Nature.
Наукова робота ґрунтується на методах гідродинамічного моделювання та дослідженні 2019 року, яке показало, що зіткнення з планетою розміром з Марс мало призвести до розшарування мантії на глибині приблизно 1300 кілометрів. Верхній шар був океан магми, створений в результаті ретельного перемішування матеріалу первинної Землі (або Геї) з речовиною Тейї, а більш твердий нижній шар зберіг початковий склад. За оцінками, кількість речовини Тейї, яка потрапила всередину Землі, становить 1,6-2 відсотки маси самої Землі.
Згодом верхній розплавлений шар твердів, його окремі частини тонули і накопичувалися на межі ядра та мантії Землі, де могли зберігатися протягом 4,5 мільярда років. Щоб простежити за подальшою долею речовини Тейї, що знаходилася в цьому шарі, вчені використовували точніше моделювання.
Раніше сейсмічне картографування надр Землі виявило дві великі аномальні області на межі мантії та ядра, названі великими областями з низькою швидкістю зсуву (LLVP). LLVP знаходяться під Африкою та Тихим океаном і досягають у діаметрі кілька тисяч кілометрів, становлячи шість відсотків обсягу всієї Землі. Так, тихоокеанська LLVP має діаметр 3000 км.
Ці зони характерні тим, що в них падає швидкість хвиль зсуву (S-хвиль) — поперечних хвиль, які поширюються в твердих середовищах або в рідинах з дуже високою в’язкістю. Це говорить про те, що вони різко відрізняються за складом від решти мантії.
Було запропоновано кілька гіпотез появи цих аномалій, включаючи розшарування мантії Землі або занурені залишки океанічної кори після зіткнення Землі з іншою планетою на зорі існування Сонячної системи. Однак ці сценарії не пояснюють наявності відносно великої кількості летких речовин у LLVP. Вчені припустили, що ці леткі компоненти спочатку були захоплені Теей з протопланетної туманності за орбітою Юпітера і утримувалися нею до зіткнення із Землею.
Щоб підтвердити, що LLVP дійсно є залишками Тейї, вчені змоделювали занурення речовини протопланети в мантію Землі, виходячи з її хімічного складу. Оскільки зіткнення протопланети із Землею призвело до утворення Місяця, слід очікувати, що хімічний склад порід на Місяці відбиває склад мантії Тейи. Відомо, що у мантії Місяця у великих кількостях міститься FeO, а також спостерігається низьке співвідношення дейтерію до водню. Моделі відтворюють цю картину в тому випадку, якщо маса FeO в мантії Тейї становила 13-18% маси всієї мантії протопланети.
Вчені розрахували, що з урахуванням вмісту FeO речовина мантії Тейї мала бути на 2-3,5 відсотка щільнішою за мантію протоземлі. Гідродинамічні моделі продемонстрували, що після зіткнення з матеріалу Тейї утворилися щільні згустки розміром десятки кілометрів, які занурювалися і уникали перемішування. До того моменту, коли згустки досягли ядра, вони охолонули і затверділи, причому на затвердіння 50-кілометрового згустку було достатньо лише 1000 років.
У фінальній частині дослідження фахівці використали геодинамічну модель. У ній згустки мантії Тейї являли собою випадково розподілені сфери з радіусом 50 кілометрів, які на 2,5 відсотка щільніші за навколишню мантію і мають сукупний обсяг приблизно 4 відсотки від обсягу мантії Землі. Ці згустки швидко опускалися до ядра, а через 4,5 мільярда років у результаті конвекції утворили дві гігантські протяжні зони, які зберегли свій первісний склад. Розрахована швидкість зсувних хвиль у цих зонах відповідала такою у LLVP.
В основі дослідження лежить гіпотеза, що зіткнення Землі з Теєю призвело до появи Місяця. Сценарій гігантського удару заснований на подібності порід Місяця до пород Землі, що вказує на те, що частина земних порід потрапила в космос під час якоїсь катастрофічної події. Зіткнення дозволяє пояснити й інших загадок — наприклад, поява величезної кількості води на Землі, і навіть великі розміри земного ядра.
Ряд фахівців припускає, що Тейя виникла не поруч із Землею, а в зовнішній області Сонячної системи і складалася з хондритових порід, збагачених водою та іншими летючими речовинами. Вона була на нестабільній орбіті, і згодом гравітаційний вплив з боку планет-гігантів змусив її мігрувати ближче до Сонця. Якийсь час вона рухалася по тій самій орбіті, що і Земля, перебуваючи в одній із точок Лагранжа, проте вплив Венери чи Юпітера спричинив зіткнення.
Автори припускають, що оскільки гігантські удари є звичайним явищем на кінцевих стадіях акреції планет, неоднорідності мантії, аналогічні LLVP і викликані ударами, також можуть існувати в надрах інших планет.
