Почему успех освоения Луны прямо зависит от «битвы гипотез» о её происхождении?
Среди теорий о происхождении Селены давно идет серьезная борьба: американские ученые считают, что ее «выбил» из Земли удар древней погибшей планеты, а их коллеги из России и Израиля — что никаких эсхатологических столкновений планет не было. От того, кто из них прав, зависит то, как земляне будут осваивать Луну.
Научно-популярный сайт «Чердак» недавно уже писал о том, что Китай, Индия и даже Израиль в этом году изучат Луну своими аппаратами. На первый взгляд, суета вокруг спутника Земли загадочна. С одной стороны, колонизация Луны вряд ли имеет смысл: ее площадь (около 1/14 площади Земли) примерно равна площади тропических и арктических пустынь Земли; между тем даже земные пустыни осваиваются очень медленно, а уж освоение Луны будет стоить на порядок дороже. Мнение энтузиастов о том, что там есть гелий-3, и он достойная причина для освоения Луны, входит в противоречие с известным фактом: энергетически выгодная термоядерная реакция пока и близко не достигнута даже для дейтерия, зажигание же гелия-3 на порядок тяжелее и лежит вне обозримого будущего человечества. С другой стороны, одна держава за другой планируют новые высадки на Луне в этом году. Спрашивается — зачем?
Правильный ответ на этот вопрос прост: к гонке престижа «примешивается» гонка научная и ресурсная. Если неамериканские гипотезы происхождения земного спутника верны, там есть немало воды, причем в удобной для освоения форме водного льда. Земные сельхозкультуры при наличии воды можно вырастить на лунном реголите: такие опыты уже успешно проводились. С водой и едой, а также источником кислорода, изучать и осваивать Луну будет много, много проще, и дешевле, чем в случае, при котором все надо возить с Земли. Подчеркнем: основание базы не означает колонизации. Плотно заселить нельзя и арктические острова, и Антарктиду, но базы там есть. Они нужны из исследовательских, военных и логистических соображений. Луна имеет в 6 раз меньшую гравитацию, чем Земля. Значит, с нее проще (нужно в десятки раз меньше топлива) поднимать горючее и окислитель, полученные из той же воды - например, для дозаправки кораблей, летящих к Марсу. Но чтобы начать планировать лунные базы. сперва надо выяснить: кто же прав? Безводна ли Луна на самом деле?
Мегаудар: как родилась идея о столкновении Земли с другой планетой?
Стоит взглянуть на Солнечную систему, какой ее знали в 1975 году, когда американцы Хартман и Дэвис сформулировали теорию мегастолкновения Земли и Тейи. В тот далекий год Харон был еще не открыт, и во всей Солнечной системе было известно ровно два типа спутников: те, что радикально меньше своих планет (Фобос и Деймос, спутники планет-гигантов), и Луна. Она была единственным известным тогда спутником, масса которого составляла более процента от массы ее планеты.
Необычность этого спутника требовала и нестандартной теории его происхождения — тем более, что неуклюжие гипотезы-предшественницы, вроде отрыва куска от Земли под якобы действием ее былого быстрого вращения (гипотеза Дарвина, сына Чарльза Дарвина), были несколько наивны и легко опровергались. Эта и ей подобные гипотезы плохо объясняли то, что железное ядро Луны в сравнении с Землей небольшое, а воды там (как считалось в то время) нет.
На самом деле на тот момент вода в лунной породе уже была обнаружена: «Аполлоны» доставили на Землю грунт, где еще в 60-х нашли воду. Но ее списали на земные загрязнения или метеориты. Прямые свидетельства от детекторов ионов, зафиксировавших воду рядом с «Аполлонами», также списали на земное загрязнение. В лунной геологии сработал феномен, чаще приписываемый наукам гуманитарным, — ученые отвергали эмпирические факты, поскольку они не стыковались с имевшимися тогда теориями происхождения Селены: во всех них она сперва расплавлялась, то есть должна была потерять воду. Наука того времени предполагала только один вариант попадания воды на Луну — с кометами. Но в кометной воде другое соотношение дейтерия и водорода, а в воде, найденной на Луне американцами, соотношение этих изотопов водорода было как на Земле. Тогдашняя теория это не допускала, отчего все и списали на «земное загрязнение», а Селену объявили полностью безводной.
Однако другие особенности лунного грунта земными загрязнениями было не объяснить. Речь идет о меньшем содержании в них титана и других сравнительно тяжелых элементов.
Столкновение Земли с другой планетой
Тогда-то в 1975 году в США родилась гипотеза мегаудара (мегаимпакта). По ней, древняя планета Тейя 4,5 миллиарда лет назад столкнулась с Землей, и сверхмощный удар выбросил в космос большое количество материала обеих планет. Из обломков со временем сформировалась Луна. Земной спутник получался не «первичным» (как, например, спутники Юпитера), а «вторичным», возникшим при соударении больших небесных тел. Снимался вопрос о том, почему масса Селены так велика в сравнении с массой самой Земли — куда больше, чем у спутников других планет Солнечной системы.
Мегаимпакт также легко объяснял, почему на Луне мало тяжелых элементов (что было правдой) и совсем нет воды (что после полетов «Аполлонов» было упорным игнорированием фактов). Верхние слои Земли содержат мало тяжелых элементов — большинство из них опустились вниз, в ядро и нижние слоим магмы. При столкновении планет обломки должны были разгореться до тысяч градусов. Любая вода из них испарилась бы и улетела в космос. Когда остывшие обломки сформировали Луну, они должны были быть уже полностью безводны.
Кажется, кто-то промахнулся
Гипотеза выглядела просто отлично целых три года. Но уже в 1978 году был открыт Харон — спутник Плутона. Если Луна по массе в 80 раз уступает Земле, то Харон легче Плутона всего в 9 раз. Получалось, в возникновении Луны нет ничего уникального. Встал естественный вопрос: как это возможно, ведь столкновение крупных планет, типа Тейи и Земли, должно быть редким событием?
Вид на Харон с поверхности Плутона в представлении художника
Еще больше неудобств доставил анализ лунных пород в лабораториях и первые данные по метеоритам инопланетного происхождения. Выходило, что изотопно только Луна неотличима от Земли, а все остальные планеты Солнечной системы — явно отличаются. Как это получилось, если в составе Селены якобы есть вещество другой планеты — гипотетической древней Тейи?
Для объяснения противоречия гипотезу мегаудара модифицировали: местом рождения Тейи стали считать... земную орбиту, поэтом и изотопный состав обеих планет одинаков. Якобы на ней сформировалось сразу две планеты, которые потом столкнулись. Почему на земной орбите планет возникло две, а на орбитах других планет системы — по одной, ясности не было.
Добавили проблем и геологи. Возник законный вопрос: если мегастолкновение двух планет раскалило Землю и ее обломки, откуда на планете вообще взялась вода? По всем расчётам она должна была испариться. Теория мегаимпакта уже стала крайне популярной, отказываться от нее не хотели, поэтому была выдвинута идея, что вода на Земле появилась позже — ее принесли кометы, падавшие на планету миллиарды лет. Но вскоре обнаружилось, что соотношение изотопов водорода и кислорода в кометной воде сильно отличается от земной. Более похожа вода с астероидов, но на них ее очень немного, то есть быть источником земных океанов они не могут.
Наконец, в XXI веке на Луне стали находить следы воды. А когда сторонники мегаударной гипотезы предположили, что воду эту принесли кометы, то голландские геологи показали, что лунные породы вообще не могли образоваться в нынешнем виде без присутствия воды с самого начала образования спутника. Усугубили ситуацию российские астрономы: по ним, типичное столкновение кометы с Луной ведет к вылету более 95% воды обратно в космос.
Лучше всего ситуацию отразила статья 2013 года с говорящим заголовком «Импактная теория вымоталась».
Как астероидный молоток построил Луну
В 2007 году вышла работа известного физика Н. Горькавого «Образования Луны и двойных астероидов», впервые показавшая, что механизм образования Луны не уникален — напротив, он породил огромное количество спутников в Солнечной системе. Только спутники эти образовывались главным образом у астероидов, а не у более массивных планет.
Сценарий появления и спутников астероидов и Луны прост. Первые же столкновения с астероидами размером в 10-1 000 километров образуют вокруг планеты кольцо из выброшенных обломков, скорость которых выше первой космической (то есть быстро упасть обратно они не могут). Последующие удары астероидов быстро наращивают массу диска — его обломки «перехватывают» вылетающие с планеты новые обломки. Те, что вылетели в сторону, обратную направлению вращения диска и планеты, от столкновения с обломками диска теряют скорость и падают обратно на планету. Те, что летят в том же направлении, куда вращаются диск и планета, — присоединяются к диску. Чем больше его масса, тем больше обломков выбитых новыми астероидами он может захватить. От все новых столкновений старые обломки в диске теряют энергию и скорость, им становится проще «слипаться» при ударах, без разлета после столкновения. Так в диске начинает формироваться крупный спутник.
При таком сценарии ни Земля, ни выбитые обломки до тысяч градусов не раскаляются — то есть земная вода не выкипает ни в земных океанах, ни в составе Луны. Да и изотопы в их твердых породах совпадают: ведь Селена, получается, возникла в основном из земных же обломков.
Становится легко понять и происхождение лунных морей на обращенной к Земле части Луны (около 3-4 млрд. лет назад на поверхность Луны излилась лава и, застыв, образовала темные моря, покрывающие 16% площади лунной поверхности и расположенные на видимой стороне Луны). Если Луна «перехватывает» все обломки, выбитые астероидами из Земли, то «ловить» их она должна именно обращенной к Земле стороной. Поэтому-то лунных морей на теневой стороне спутника гораздо меньше.
Как это часто бывает с гипотезами в наше время, одно и то же открытие могут сделать несколько научных групп: ведь статей в рецензируемых журналах выходит много, а читать их времени хватает не у всех ученых. Выводы Горькавого были «переоткрыты» в 2014 году московской группой астрономов, а в 2015 году — и израильской. Пока что эту гипотезу не принимают только в США, однако и это лишь вопрос времени. Противоречия мегаимпактной гипотезы неразрешимы, а у новой пока не видно никаких противоречий с наблюдаемой реальностью.
Как новая теория изменит практику изучения и освоения Луны?
Если Луна образовалась из земного материала, на ней должны быть легкие элементы. Вода с поверхности вскоре испарилась, но в приполярных зонах (особенно в кратерах) — Солнца нет. Данные радаров подкрепляют эту гипотезу. Это значит, что события вроде бы миллиардолетней давности имеют насущное значение и сегодня. Будь лунная вода продуктом падения комет, ее было бы мало, и вряд ли она сохранилась бы в виде заметных количеств чистого льда.
Картинка: https://news.wisc.edu/system/assets/108/original/Lunar_caves_1.jpg?1439563249 (в оригинале можно посмотреть в увеличенном виде) Взято: https://news.wisc.edu/novel-morgridge-technology-may-illuminate-mystery-moon-caves/?fbclid=IwAR3cDrj1rZ-lqkrBXUoJsLFI4zaK4m-keXxC_F1u1G0zIQNBGHExG-f0rMc Подпись: входы в лавовые трубки, внутри которых может быть немало водного льда.
Что немаловажно, кроме приполярных кратеров на планете есть и другие места, где возможно наличие легких элементов — лавовые трубки. В условиях низкой лунной гравитации такие пещеры вулканического происхождения имеют диаметр до сотен метров, а длина их измеряется километрами. Слой грунта от 10 метров полностью защищает внутренности пещер от космической радиации, а температура в них всегда стабильна. Американские исследователи предполагают, что там, как и в ряде лавовых трубок Земли, может быть чистый водный лед. Входов в лунные лавовые трубки (на фото выше) немало. Лучшего места для лунной исследовательской базы не найти.
Кратер в Море Спокойствия (Mare Tranquillitatis)
В свете новых данных исследовать Луну надо не в низких широтах, как это делали американцы в 60-70-х, а совсем в иных местах — ближе к полюсам. Именно туда, кстати, как легко убедиться, и направляют свои аппараты индийцы и иные новые участники лунной гонки. При любой попытке создания лунной базы водный лед будет ценнейшим ресурсом. Кроме того, в приполярной зоне Луны солнечный свет в ряде мест светит более 95% длительности года. Это дополнительно упростит базирование. Понятно, что собственностью земного государства куски спутника никто объявлять не будет — но, как и с арктическими базами, тот, кто первым закрепится в выгодном месте, будет иметь большие преимущества в изучении Луны.
Итак, американская теория образования Луны в ходе межпланетного столкновения утверждает, что Селена — сухой кусок камня, где воды мало и она только наносная. Российская и более поздняя израильская постулируют, что спутник Земли возник от множества ударов мелких астероидов, и потому богат водой. Тот, кто первым выяснит, какая же из теорий верна, получит большую фору в освоении лунной воды. Именно она станет ключевым ресурсом, без которого невозможна ни лунная база в частности, ни детальное изучение Луны в целом.
Источник (там же указаны ссылки на ряд упомянутых в статье материалов)