Om vele redenen wordt Venus soms 'Earth's Twin' (of 'Sister Planet' genoemd, afhankelijk van wie je het vraagt). Net als de aarde is het van aard (d.w.z. rotsachtig) van aard, samengesteld uit silicaatmineralen en metalen die worden onderscheiden tussen een ijzer-nikkelkern en een silicaatmantel en korst. Maar als het gaat om hun respectievelijke atmosferen en magnetische velden, kunnen onze twee planeten niet meer van elkaar verschillen.
Al geruime tijd worstelen astronomen om te beantwoorden waarom de aarde een magnetisch veld heeft (waardoor het een dikke atmosfeer kan vasthouden) en Venus niet. Volgens een nieuwe studie, uitgevoerd door een internationaal team van wetenschappers, heeft het mogelijk iets te maken met een enorme impact die zich in het verleden heeft voorgedaan. Omdat Venus nog nooit zo'n impact lijkt te hebben gehad, heeft het nooit de dynamo ontwikkeld die nodig is om een magnetisch veld te genereren.
De studie, getiteld "Vorming, stratificatie en vermenging van de kernen van de aarde en Venus", verscheen onlangs in het wetenschappelijke tijdschrift Aarde en wetenschap Planetaire Letters. De studie werd geleid door Seth A. Jacobson van de Northwestern University en omvatte leden van het Observatory de la Côte d’Azur, de University of Bayreuth, het Tokyo Institute of Technology en de Carnegie Institution of Washington.
Omwille van hun studie begonnen Jacobson en zijn collega's na te denken over hoe terrestrische planeten zich in de eerste plaats vormen. Volgens de meest algemeen aanvaarde modellen van planeetvorming worden terrestrische planeten niet gevormd in één enkele fase, maar uit een reeks aanwasgebeurtenissen die worden gekenmerkt door botsingen met planetesimalen en planetaire embryo's - waarvan de meeste hun eigen kernen hebben.
Recente studies over minerale fysica onder hoge druk en over orbitale dynamica hebben ook aangetoond dat planetaire kernen een gelaagde structuur ontwikkelen naarmate ze zich ophopen. De reden hiervoor heeft te maken met hoe een grotere hoeveelheid lichtelementen tijdens het proces wordt opgenomen in vloeibaar metaal, dat vervolgens zou zinken om de kern van de planeet te vormen naarmate de temperatuur en de druk toenamen.
Zo'n gelaagde kern zou niet in staat zijn tot convectie, waarvan wordt aangenomen dat dit het magnetische veld van de aarde mogelijk maakt. Bovendien zijn dergelijke modellen niet compatibel met seismologische studies die erop wijzen dat de kern van de aarde voornamelijk uit ijzer en nikkel bestaat, terwijl ongeveer 10% van het gewicht uit lichte elementen bestaat, zoals silicium, zuurstof, zwavel en andere. De buitenste kern is eveneens homogeen en bestaat uit vrijwel dezelfde elementen.
Zoals Dr. Jacobson via e-mail aan Space Magazine uitlegde:
“De terrestrische planeten groeiden uit een opeenvolging van accretionaire (impact) gebeurtenissen, dus de kern groeide ook op een meerfasige manier. Meertraps kernvorming creëert een gelaagde, stabiel gestratificeerde dichtheidsstructuur in de kern omdat lichte elementen steeds meer worden opgenomen in latere kerntoevoegingen. Lichte elementen zoals O, Si en S verdelen zich in toenemende mate in kernvormende vloeistoffen tijdens kernvorming wanneer de druk en temperaturen hoger zijn, dus latere kernvormende gebeurtenissen nemen meer van deze elementen op in de kern omdat de aarde groter is en de drukken en temperaturen daarom hoger zijn .
“Dit zorgt voor een stabiele stratificatie die een langdurige geodynamo en een planetair magnetisch veld voorkomt. Dit is onze hypothese voor Venus. In het geval van de aarde denken we dat de maanvormende impact gewelddadig genoeg was om de kern van de aarde mechanisch te mengen en een langdurige geodynamo in staat te stellen het huidige planetaire magnetische veld te genereren. "
Om deze verwarring te vergroten, zijn paleomagnetische studies uitgevoerd die aangeven dat het aardmagnetisch veld al minstens 4,2 miljard jaar bestaat (ongeveer 340 miljoen jaar nadat het gevormd was). Als zodanig rijst natuurlijk de vraag wat de huidige staat van convectie kan verklaren en hoe deze tot stand is gekomen. Terwille van hun studie, Jacobson en zijn team overweegt de mogelijkheid dat een enorme impact dit zou kunnen verklaren. Zoals Jacobson aangaf:
“Energetische effecten vermengen de kern mechanisch en kunnen zo stabiele stratificatie vernietigen. Stabiele stratificatie voorkomt convectie die een geodynamo remt. Door de gelaagdheid te verwijderen, kan de dynamo werken. '
In wezen zou de energie van deze impact de kern hebben geschud, waardoor er één homogene regio zou zijn ontstaan waarin een langdurige geodynamo zou kunnen opereren. Gezien de leeftijd van het magnetische veld van de aarde, komt dit overeen met de Theia-impacttheorie, waar wordt aangenomen dat een object van Mars-formaat 4,51 miljard jaar geleden in botsing is gekomen met de aarde en heeft geleid tot de vorming van het aarde-maansysteem.
Deze impact had ertoe kunnen leiden dat de kern van de aarde van gelaagd naar homogeen is geworden, en in de loop van de volgende 300 miljoen jaar zouden druk- en temperatuuromstandigheden ertoe hebben geleid dat deze een onderscheid maakte tussen een vaste binnenkern en een vloeibare buitenkern. Dankzij rotatie in de buitenste kern was het resultaat een dynamo-effect dat onze atmosfeer tijdens het vormen beschermde.
De kiem van deze theorie werd vorig jaar gepresenteerd op de 47e conferentie over maan- en planeetwetenschappen in The Woodlands, Texas. Tijdens een presentatie getiteld "Dynamical Mixing of Planetary Cores by Giant Impacts", dr. Miki Nakajima van Caltech - een van de co-auteurs van deze laatste studie - en David J. Stevenson van de Carnegie Institution of Washington. Destijds gaven ze aan dat de gelaagdheid van de kern van de aarde mogelijk is gereset door dezelfde inslag die de maan vormde.
De studie van Nakajima en Stevenson toonde aan hoe de meest gewelddadige inslagen de kern van planeten laat in hun aanwas konden beroeren. Hierop voortbouwend, pasten Jacobson en de andere co-auteurs modellen toe van hoe de aarde en Venus aangroeiden vanuit een schijf van vaste stoffen en gas rond een proto-zon. Ze pasten ook berekeningen toe van hoe de aarde en Venus groeiden, gebaseerd op de chemie van de mantel en kern van elke planeet tijdens elke accretiegebeurtenis.
De betekenis van deze studie, in termen van hoe deze zich verhoudt tot de evolutie van de aarde en de opkomst van leven, kan niet worden onderschat. Als de magnetosfeer van de aarde het resultaat is van een laat-energetische inslag, dan zouden zulke inslagen heel goed het verschil kunnen zijn tussen het bewoonbaar zijn van onze planeet of het te koud en te droog zijn (zoals Mars) of te heet en helachtig (zoals Venus). Zoals Jacobson concludeerde:
“Planetaire magnetische velden beschermen planeten en het leven op de planeet tegen schadelijke kosmische straling. Als een late, gewelddadige en gigantische inslag nodig is voor een planetair magnetisch veld, dan kan een dergelijke inslag levenslang nodig zijn. '
Als we verder kijken dan ons zonnestelsel, heeft dit artikel ook implicaties voor de studie van buitenzonne-planeten. Ook hier kan het verschil tussen het al dan niet bewoonbaar zijn van een planeet te maken hebben met de impact van hoge energie als onderdeel van de vroege geschiedenis van het systeem. In de toekomst zullen wetenschappers bij het bestuderen van buitenzonne-planeten en het zoeken naar tekenen van bewoonbaarheid heel goed gedwongen worden een simpele vraag te stellen: "Is het hard genoeg geraakt?"
