Тайна рождения Луны: как столкновение с Тейей создало наш спутник — и что учёные до сих пор не могут объяснить

С тех пор как люди начали всматриваться в ночное небо, мы задавались вопросами о Луне — от её чуждого облика до влияния на земные явления: океанские приливы, стабильность климата и даже естественные ритмы многих организмов.

Среди множества вопросов о единственном естественном спутнике Земли один остаётся первостепенным: каково происхождение Луны и как долго она обращается вокруг Земли?

Сегодня ведущая теория среди астрономов состоит в том, что в глубоком прошлом нашей планеты — возможно, в течение примерно первых 100 миллионов лет истории Солнечной системы — Земля столкнулась с объектом размером с планету, создав Луну за период, который мог составлять всего несколько часов. Эта гипотеза известна как гипотеза гигантского импакта, и предполагаемое событие включает гипотетическую протопланету размером с Марс, которую астрономы называют Тейей. Материал, выброшенный на орбиту мощным ударом, впоследствии аккумулировался, сформировав Луну, которую мы наблюдаем сегодня.

Что нам известно?

Рождение гипотезы о происхождении Луны

Эволюция этого яркого решения одной из самых стойких загадок Луны восходит к 1946 году, когда геолог Реджинальд Олдворт Дейли одним из первых предположил, что событие импакта может объяснить формирование Луны.

До Дейли учёные склонялись к теориям, связанным с быстрым вращением Земли миллиарды лет назад, когда каждый день мог длиться всего 2–3 часа. Десятилетия спустя, в 1970-х, исследователи Уильям Хартманн и Дональд Дэвис разработали собственные модели, включающие столкновения крупных тел, оставшихся от планетообразования, которые могли сталкиваться с молодыми планетами.

Развивая эти идеи, другие исследователи предложили аналогичные сценарии между ранней Землёй и объектом размером с Марс. В начале следующего десятилетия концепция окончательно заняла место ведущего процесса формирования Луны на знаковой конференции в Коне, Гавайи, в 1984 году.

Свидетельства столкновения планетарного масштаба

Популярность гипотезы гигантского импакта можно объяснить множеством линий доказательств, поддерживающих сценарий столкновения. Например, исследователи давно признали схожие соотношения стабильных изотопов в лунных породах и породах Земли, что убедительно свидетельствует о связи их происхождения.

Кроме того, необычно высокий угловой момент (или спин) системы Земля — Луна по сравнению с наблюдениями других каменистых планет также можно объяснить как одно из следствий массивного столкновения.

Дополнительные подсказки можно найти в составе Луны, который обнаруживает относительно небольшое железное ядро и более низкую плотность. Это важно для астрономов, поскольку гипотетический гигантский импакт привёл бы к слиянию металлического ядра предполагаемой протопланеты Тейи с недрами молодой Земли — в то время как более лёгкий материал мантии и коры обоих миров был бы выброшен и выброшен на орбиту, в конечном итоге способствуя формированию Луны.

Ещё одно важное доказательство связано с относительным обеднением летучих веществ (химических веществ, легко превращающихся в газ или пар при комнатной температуре) в лунном материале, что снова указывает на то, что он мог быть потерян во время чрезвычайно энергетического события — идея, дополнительно подтверждаемая свидетельствами того, что ранняя Луна когда-то обладала значительным океаном магмы.

Что остаётся неизвестным?

Новые исследования расширяют гипотезу Тейи

Тем не менее остаётся несколько значительных вопросов, включая то, какие именно условия привели к импакту и как образовавшийся планетарный материал эволюционировал в Луну в её нынешнем виде.

Недавно новое исследование Адин Дентон из Юго-Западного исследовательского института и коллег из Лунной и планетарной лаборатории Университета Аризоны придало гипотезе Тейи новый поворот, предположив, что на предполагаемый древний импакт могли значительно повлиять тепло и физическая прочность двух сталкивающихся тел.

Выводы команды бросают вызов некоторым давним взглядам на гипотезу гигантского импакта, одновременно придавая новую поддержку другим. Например, симуляции команды показали, что хотя некоторые импакты приводят к созданию диска обломков, который позже сливается в Луну, при других условиях симуляции поддерживают идею о том, что Луна могла сформироваться за удивительно короткий период — возможно, примерно за пять часов.

Однако одна из основных проблем определения точных условий гипотезы гигантского импакта связана с продолжающимися спорами о возрасте Луны.

«Существует большая полемика относительно возраста Луны», — сказал доктор Эрик Аспауг, профессор планетарных наук в Лунной и планетарной лаборатории Университета Аризоны и один из соавторов нового исследования.

В письме Space Аспауг объяснил некоторые проблемы, возникающие из этого, поскольку текущие оценки помещают время формирования Луны в диапазон от примерно 40 до 120 миллионов лет после формирования Солнечной системы. По словам Аспауга, это может иметь значительные последствия для моделей импакта Тейи.

Если бы столкновение произошло раньше, это означало бы более горячую Тейю из-за большей степени радиогенного нагрева; напротив, более поздний импакт означал бы более холодную и прочную Тейю.

«Я не думаю, что мы знаем достаточно, чтобы сказать, что Луна (и, соответственно, Земля) сформировалась так или иначе, — сказал Аспауг Space. — Но знание того, как температура влияет на результат, открывает новое измерение для рассмотрения проблемы, и это всегда полезно, потому что смещает нашу систему отсчёта — как выйти из машины и прогуляться вокруг».

Лунная загадка во времени и пространстве

Для таких исследователей, как Аспауг, понимание формирования Луны требует рассмотрения её не только как события в пространстве, но и как события во времени. Это позволяет сравнивать три различных показателя: изотопный распад, температурно-зависимую прочность материала и геологическую летопись ударов обломков по другим планетам — процесс, через который, по его мнению, можно установить более строгие ограничения на то, когда именно мог произойти импакт, сформировавший Луну.

Адин Дентон, ведущий автор исследования, также подчеркнула введение временного компонента, который её команда привносит в исследование, сообщив Space в электронном письме, что результат импакта, сформировавшего Луну, мог значительно зависеть от времени столкновения.

«Раньше учёные обычно предполагали, что результат столкновения будет одинаковым независимо от того, когда оно происходит, — писала Дентон. — Но теперь мы знаем, что влияние температуры на свойства материала, которое определяется тем, насколько стара и/или холодна протоземля и Тейя, существенно меняет дело».

Связывая симуляции импакта с данными геохимической летописи Луны, а также с моделями формирования ранней Солнечной системы, Дентон считает, что работа её команды может помочь учёным точнее определить, как и когда сформировалась Луна.

Тайна продолжается

На данный момент относительно того, какой возможный сценарий — более раннее или более позднее столкновение — представляется наиболее вероятным, Дентон говорит, что это всё ещё трудно сказать.

«Это зависит от того, какой сценарий формирования Солнечной системы вы предпочитаете», — сказала Дентон Space.

«Я в целом за более раннее формирование Луны, что согласуется с быстрой фазой планетообразования в нашей Солнечной системе, — сказала Дентон, — но мы не можем пренебрегать возможностью того, что Луна сформировалась поздно».

Хотя многое ещё предстоит сделать, Дентон и Аспауг считают, что их выводы значительно продвигают текущие усилия по разрешению некоторых вопросов гипотезы гигантского импакта — некоторые из которых остаются открытыми уже много лет.

Однако для Аспауга такие сохраняющиеся вопросы могут быть просто частью научного процесса.

«Наука имеет свойство долго блуждать, пока наконец всё не сфокусируется, — сказал Аспауг. — Я верю, что это произойдёт, отчасти благодаря этой работе, в ближайшее десятилетие».

Источники: Space.com, NASA/JPL-Caltech, Юго-Западный исследовательский институт, Лунная и планетарная лаборатория Университета Аризоны, журнал Science.