Un'enorme anomalia all'interno del mantello terrestre potrebbe essere il resto della collisione che ha formato la Luna.

1 novembre 2023

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a cura dell'Accademia delle Scienze della Cina

Recentemente, un team internazionale di ricerca interdisciplinare ha scoperto che un'enorme anomalia nel profondo dell'interno della Terra potrebbe essere un residuo della collisione avvenuta circa 4,5 miliardi di anni fa che ha formato la Luna.

Questa ricerca offre nuove e importanti intuizioni non solo sulla struttura interna della Terra, ma anche sulla sua evoluzione a lungo termine e sulla formazione del sistema solare interno.

Lo studio, che si è basato su metodi di fluidodinamica computazionale sviluppati dal professor Deng Hongping dell'Osservatorio Astronomico di Shanghai (SHAO) dell'Accademia delle Scienze della Cina, è stato pubblicato come copertina di rilievo su Nature il 2 novembre.

La formazione della Luna è stata un'enigma persistente per diverse generazioni di scienziati. La teoria prevalente ha suggerito che, durante le fasi finali della crescita della Terra circa 4,5 miliardi di anni fa, si sia verificata una massiccia collisione, nota come "impatto gigante", tra la Terra primordiale (Gaia) e un protopianeta delle dimensioni di Marte noto come Theia. Si ritiene che la Luna si sia formata dai detriti generati da questa collisione.

Le simulazioni numeriche hanno indicato che la Luna ha probabilmente ereditato principalmente materiale da Theia, mentre Gaia, a causa della sua maggior massa, è stata solo leggermente contaminata dal materiale di Theia.

Dato che Gaia e Theia erano formazioni relativamente indipendenti e composte da materiali diversi, la teoria suggeriva che la Luna, essendo dominata dal materiale di Theia, e la Terra, essendo dominata dal materiale di Gaia, dovrebbero avere composizioni diverse. Tuttavia, misurazioni isotopiche ad alta precisione hanno successivamente rivelato che le composizioni della Terra e della Luna sono notevolmente simili, mettendo così in discussione la teoria convenzionale sulla formazione della Luna.

Mentre sono stati successivamente proposti vari modelli raffinati dell'impatto gigante, tutti hanno affrontato delle difficoltà.

Per affinare ulteriormente la teoria sulla formazione lunare, il professor Deng ha iniziato a condurre ricerche sulla formazione della Luna nel 2017. Si è concentrato nello sviluppare un nuovo metodo di fluidodinamica computazionale chiamato Meshless Finite Mass (MFM), che eccelle nel modellare con precisione la turbolenza e la miscelazione dei materiali.

Utilizzando questo approccio innovativo e conducendo numerose simulazioni dell'impatto gigante, il professor Deng ha scoperto che la Terra primordiale presentava una stratificazione del mantello dopo l'impatto, con il mantello superiore e inferiore con diverse composizioni e stati. In particolare, il mantello superiore presentava un oceano di magma, creato attraverso una completa miscelazione di materiale proveniente da Gaia e Theia, mentre il mantello inferiore rimaneva in gran parte solido e manteneva la composizione di Gaia.

"Le ricerche precedenti hanno posto un'eccessiva enfasi sulla struttura del disco di detriti (precursore della Luna) e hanno trascurato l'impatto della collisione gigante sulla Terra primordiale," ha dichiarato Deng.

Dopo discussioni con geofisici dell'Istituto Federale di Tecnologia di Zurigo, il professor Deng e i suoi collaboratori hanno realizzato che questa stratificazione del mantello potrebbe persistere fino ai giorni nostri, corrispondendo ai riflettori sismici globali nel centro del mantello (a circa 1.000 km al di sotto della superficie terrestre).

In particolare, l'intero mantello inferiore della Terra potrebbe ancora essere dominato dal materiale gaiano pre-impatto, che ha una composizione elementare diversa (incluso un contenuto di silicio superiore) rispetto al mantello superiore, secondo uno studio precedente del professor Deng.

"Le nostre scoperte mettono in discussione l'idea tradizionale che l'impatto gigante abbia portato all'omogeneizzazione della Terra primordiale," ha affermato il professor Deng. "Invece, l'impatto gigante che ha dato origine alla Luna sembra essere l'origine dell'eterogeneità del mantello primordiale e segna l'inizio dell'evoluzione geologica della Terra nel corso di 4,5 miliardi di anni."

Another example of Earth's mantle heterogeneity is two anomalous regions—called Large Low Velocity Provinces (LLVPs)—that stretch for thousands of kilometers at the base of the mantle. One is located beneath the African tectonic plate and the other under the Pacific tectonic plate. When seismic waves pass through these areas, wave velocity is significantly reduced.

LLVPs have significant implications for the evolution of the mantle, the separation and aggregation of supercontinents, and the Earth's tectonic plate structures. However, their origins have remained a mystery.

Dr. Yuan Qian from the California Institute of Technology, along with collaborators, proposed that LLVPs could have evolved from a small amount of Theian material that entered Gaia's lower mantle. They subsequently invited Prof. Deng to explore the distribution and state of Theian material in the deep Earth after the giant impact.

Through in-depth analysis of previous giant-impact simulations and by conducting higher-precision new simulations, the research team found that a significant amount of Theian mantle material, approximately 2% of Earth's mass, entered the lower mantle of Gaia.

Prof. Deng then invited computational astrophysicist Dr. Jacob Kegerreis to confirm this conclusion using traditional Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) methods.

The research team also calculated that this Theian mantle material, similar to lunar rocks, is enriched with iron, making it denser than the surrounding Gaian material. As a result, it rapidly sank to the bottom of the mantle and, over the course of long-term mantle convection, formed two prominent LLVP regions. These LLVPs have remained stable throughout 4.5 billion years of geological evolution.

Heterogeneity in the deep mantle, whether in the mid-mantle reflectors or the LLVPs at the base, suggests that the Earth's interior is far from a uniform and 'boring' system. In fact, small amounts of deep-seated heterogeneity can be brought to the surface by mantle plumes—cylindrical upwelling thermal currents caused by mantle convection—such as those that likely formed Hawaii and Iceland.

For example, geochemists studying isotope ratios of rare gases in samples of Icelandic basalt have discovered that these samples contain components different from typical surface materials. These components are remnants of heterogeneity in the deep mantle dating back more than 4.5 billion years and serve as keys to understanding Earth's initial state and even the formation of nearby planets.

According to Dr. Yuan, 'Through precise analysis of a wider range of rock samples, combined with more refined giant impact models and Earth evolution models, we can infer the material composition and orbital dynamics of the primordial Earth, Gaia, and Theia. This allows us to constrain the entire history of the formation of the inner solar system.'

Prof. Deng sees an even broader role for the current study. 'This research even provides inspiration for understanding the formation and habitability of exoplanets beyond our solar system.'

Journal information: Nature

Provided by Chinese Academy of Sciences