Таинственная история происхождения Луны

Таинственная история происхождения Луны

Mike Zeng for Quanta Magazine

Как образовалась Луна? Новые идеи пытаются спасти проблемную теорию

В учебниках говорится, что Луна образовалась после того, как масса размером с Марс разбила молодую Землю. Но новые доказательства поставили под сомнение эту историю, заставив исследователей придумывать новые способы вывести гигантский камень на орбиту.

13 декабря 1972 года астронавт Аполлона-17 Харрисон Шмитт поднялся на валун у лунного Моря Безмятежности. «У этого валуна есть небольшая дорожка, прямо в гору», - позвал он своего командира Юджина Кернана, указывая на следы, которые оставил валун, когда катился по склону горы. Кернан подошел, чтобы собрать образцы.

Астронавты откололи кусочки Луны из валуна. Затем они подняли камень, позже названный троктолитом 76536.

Этот камень и его валуны-братья расскажут о том, как появилась Луна. В этой истории, вписанной в бесчисленные учебники и экспонаты научных музеев за последние четыре десятилетия, Луна была создана в результате катастрофического столкновения зародышевой Земли и каменистого мира размером с Марс. Этот другой мир был назван Тея, как греческая богиня, которая родила Селену, Луну. Тея ударила Землю так сильно и так быстро, что оба мира рассыпались. В конце концов, остатки Теи остыли и превратились в серебряного спутника, который мы видим сегодня.

Но современные измерения троктолита 76536 и других камней с Луны и Марса поставили под сомнение эту историю. За последние пять лет огромное количество исследований подняли следующую проблему: гипотеза о гигантском ударе основывается на предположениях, которые не соответствуют доказательствам. Если Тея ударила Землю и позже сформировала Луну, Луна должна быть сделана из материала подобного Теи. Но Луна не похожа на Тею. Вплоть до ее атомов, она выглядит почти так же, как Земля.

Столкнувшись с этим несоответствием, исследователи стали искать новые идеи, чтобы понять то, как появилась Луна. Наиболее очевидное решение также может быть самым простым, хотя оно создает и другие проблемы для понимания ранней Солнечной системы: возможно, Тея действительно сформировала Луну, но Тея была сделана из материала, который был почти идентичен Земле. Второй вариант предполагает, что удар все сильно перемешал, как тесто для блинов. Это могло произойти из-за очень высокой энергии или нескольких ударов, образовавших некоторое количество Лун, которые впоследствии соединились. Третье объяснение ставит под сомнение то, что мы знаем о планетах. Возможно, что Земля и Луна претерпели странные метаморфозы, которые резко изменили их вращения и их будущее.

Плохие новости для Теи

Понимание того, что могло произойти в самый важный день на Земле, также помогает понять и раннюю Солнечную систему. Четыре с половиной миллиарда лет назад солнце было окружено горячим облаком в форме пончика. Звездообразные элементы кружились вокруг нашего новорожденного солнца, объединяясь - в процессе, который мы не до конца понимаем - в сгустки, затем в планетезимали, а затем во все более и более крупные планеты. Эти каменистые тела сильно, часто сталкивались и снова рассыпались. Именно тогда и появились Земля и Луна.

Наши лучшие компьютерные модели говорят, что все, что сталкивалось с Землей, должно было быть размером с Марс. Все, что больше или меньше, привело бы к созданию системы с гораздо большим моментом движения, чем мы видим.

Момент движения - это величина, которая описывает движение и массу вращающегося объекта или системы вращающихся объектов: вращающаяся Земля, вращающаяся Луна, вращающаяся вокруг вращающейся Земли и так далее. Момент движения всегда сохраняется, то есть он может быть получен или потерян только в том случае, если вмешивается что-то еще.

Ранние геохимические исследования троктолита 76536 и других пород укрепили эту теорию. Ученые утверждают, что Луна была сделана из остатков Теи. Но есть проблема.

Вернемся к ранней Солнечной системе. Когда каменистые миры сталкивались и рассыпались, все их содержимое перемешивалось, в конечном итоге оседая на отдельные области. Ближе к солнцу, где было жарче, более легкие элементы, скорее всего, нагревались и исчезали, оставляя тяжелые изотопы (варианты элементов с дополнительными нейтронами). Вдали от солнца камни могли удерживать больше воды, а более легкие изотопы сохранялись. Поэтому ученый может исследовать изотопный состав объекта и определить, где он появился.

Такие различия настолько заметны, что используются для классификации планет и типов метеоритов.

В 2001 году, используя передовые методы масс-спектрометрии, швейцарские исследователи повторно измерили троктолит 76536 и 30 других лунных образцов. Они обнаружили, что его кислородные изотопы неотличимы от таковых на Земле. С тех пор геохимики изучали титан, вольфрам, хром, рубидий, калий и другие малоизвестные металлы с Земли и Луны, и все выглядело примерно одинаково.

Это плохие новости для Теи. Если Марс так явно отличается от Земли, то и Тея, и, следовательно, Луна, тоже должны быть другими. Если они одинаковы, это означает, что Луна должна была образоваться из кусочков Земли. Тогда камни Аполлона находятся в прямом противоречии с тем, что, по утверждению физики, должно быть правдой.

«Каноническая модель находится в серьезном кризисе», - сказала Сара Стюарт, планетолог из Калифорнийского университета в Дэвисе. «Она еще не убита, но в настоящее время не работает».

Луна из пара

Стюарт пытается согласовать теорию - удар объекта определенного размера, идущего с определенной скоростью - с новыми геохимическими данными. В 2012 году она и Матия Чук, сейчас работающие в Институте SETI, предложили новую физическую модель формирования Луны. Они утверждали, что ранняя Земля, когда Тея столкнулась с ней, вращалась в день каждые два-три часа. Столкновение привело к образованию диска вокруг Земли, очень похожего на кольца Сатурна, но только примерно на 24 часа. В конечном счете, этот диск охлаждался и затвердевал, образуя Луну.

Суперкомпьютеры не достаточно мощны, чтобы полностью смоделировать такой процесс, но они показали, что объект, ударившийся о такое вращающееся тело, может срезать достаточно Земли, уничтожить достаточно Теи и объединить и то и другое, чтобы построить Луну и Землю с одинаковым изотопным отношением. Подумайте об ударе мокрой глиняной глыбы о быстро вращающееся гончарное колесо.

Однако должно было произойти что-то еще, чтобы замедлить скорость вращения Земли до той, которая есть сейчас. В своей работе 2012 года Стюарт и Чук утверждали, что при определенных взаимодействиях орбитального резонанса Земля могла передавать момент движения Солнцу. Позже Джек Виздом из Массачусетского технологического института предложил несколько альтернативных сценариев.

Но ни одно из объяснений не было полностью удовлетворительным. Стюарт сказала, что модели 2012 года по-прежнему не могут объяснить орбиту Луны или химию Луны. Затем в прошлом году Саймон Локк, ученик Стюарт, предложил обновленную модель, которая предлагает ранее неизвестную планетарную структуру.

В этой истории каждый кусочек Земли и Теи испарился и образовал вздутое облако в форме толстого бублика. Облако вращалось так быстро, что достигло точки, называемой пределом совместного вращения. На этом внешнем краю облака испаренная порода кружилась так быстро, что облако приобрело новую структуру с толстым диском, окружающим внутреннюю область. Важно отметить, что диск не был отделен от центральной области, как кольца Сатурна.

Условия в этой структуре непростые; нет поверхности, но вместо нее облака расплавленной породы, где каждое облако образует ее капли. Луна выросла внутри этого пара, сказал Локк, прежде чем пар, в конце концов, остыл и оставил на своем пути систему Земля-Луна.

Учитывая необычную структуру, Локк и Стюарт считали, что она заслуживает нового имени. Они испробовали несколько версий, прежде чем придумать синестию, означающую и богиню Гестию, которая символизирует дом, домашний очаг, и структуру. Слово означает «связанная структура», сказала Стюарт.

В мае Локк и Стюарт опубликовали статью о физике синестии; их статья, доказывающая лунное происхождение синестии, все еще находится на стадии рассмотрения. Они представили работу на конференциях по планетарной науке зимой и весной и сказали, что их коллеги-исследователи были заинтригованы, но вряд ли поверили в эту идею. Это может быть потому, что синестия – все еще просто идея; никто никогда не видел ее.

«Но это, безусловно, интересный вариант, который может объяснить особенности нашей Луны и помочь нам преодолеть этот тупик, в котором мы находимся, где у нас есть модель, которая, похоже, не работает», - сказал Локк.

Пусть расцветает дюжина Лун

Среди естественных спутников в Солнечной системе Луна Земли, возможно, больше всего поражает своим одиночеством. У Меркурия и Венеры нет естественных спутников, отчасти из-за их близости к солнцу, чье гравитационное взаимодействие могло бы сделать орбиты их лун неустойчивыми. На Марсе есть крошечные Фобос и Деймос, которые, как утверждают некоторые, являются астероидами, а другие утверждают, что они образовались из-за влияния Марса. А газовые гиганты переполнены лунами.

В отличие от этих лун, спутник Земли также выделяется своими размерами и массой. Луна составляет около 1 процента массы Земли, в то время как общая масса спутников внешних планет составляет менее одной десятой от 1 процента их родителей. Еще более важно, что Луна содержит 80 процентов момента движения системы Земля-Луна. То есть Луна отвечает за 80 процентов движения системы в целом. Для внешних планет это значение составляет менее 1 процента.

Однако Луна, возможно, была такой не всегда. Почему мы думаем, что только один камень отколол ее от Земли? Возможно, что Луна образовалась благодаря нескольким ударам, сказала Ралука Руфу, ученый-планетолог.

В статье, опубликованной прошлой зимой, она утверждала, что Луна Земли не является первоначальной Луной. Удары под разными углами и на разных скоростях могли ударить Землю и образовать диски, которые объединились в «минилуны». Взаимодействия минилун разных возрастов заставляли их сливаться, в конечном итоге образуя Луну, которую мы знаем сегодня.

Робин Кануп, ученый, сказал, что статья стоит того, чтобы ее рассмотреть. Однако необходимы дальнейшие проверки. Руфу не уверена, были ли минилуны заблокированы в своих орбитальных позициях, подобно Луне Земли, постоянно обращенной в одном направлении; если так, она не уверена, как они могли соединиться. «Это то, что мы пытаемся выяснить», - сказала Руфу.

Между тем, другие обратились к другому объяснению сходства Земли и Луны. Возможно, Луна выглядит так же, как Земля, потому что и Тея тоже так выглядит.

Все те же вещи

В Солнечной системе Луна не одна похожа на Землю. У камней, подобных троктолиту 76536, такое же соотношение изотопов кислорода с земными породами, как и у группы астероидов, называемых энстатитовыми хондритами. Изотопный состав кислорода этих астероидов очень похож на состав Земли, говорит Мириам Телус, космохимик, изучающий метеориты в Институте Карнеги в Вашингтоне, округ Колумбия. «Один из аргументов в том, что они образовались в более горячих областях диска, которые были бы ближе к солнцу», - сказала она. Они, вероятно, сформировались рядом с Землей.

Некоторые из этих камней соединились, чтобы сформировать Землю; другие объединились бы в Тейю. Энстатитовые хондриты - это остатки камней, которые никогда не соединялись для того, чтобы образовать мантии, ядра и полностью сформировавшиеся планеты.

В январе Николас Дофас, геофизик из Чикагского университета, утверждал, что большинство камней, которые стали Землей, были метеоритами энстатитового типа. Он утверждал, что все, что сформировалось в той же области, будет также сделано из них. Планеты создавались из тех же смешанных материалов, которые мы сейчас находим как на Луне, так и на Земле; они выглядят одинаково, потому что они одинаковы. «Гигантский удар, сформировавший Луну, вероятно, имел изотопный состав, подобный составу Земли», - писал Дауфас.

Дэвид Стивенсон, планетарный ученый из Калифорнийского технологического института, который изучал происхождение Луны с тех пор, как гипотеза Теи была впервые представлена в 1974 году, сказал, что считает этот документ самым важным в прошлом году вкладом в дебаты.

Однако не все в этом убеждены. Стюарт отмечает, что все еще существуют вопросы об изотопном соотношении таких элементов, как вольфрам. Вольфрам-182 – дочь гафния-182, поэтому отношение вольфрама к гафнию действует как часы, определяющие возраст конкретной породы. Если в одной породе больше вольфрама-182, чем в другой, можно смело сказать, что вольфрамовая порода образовалась раньше. Но самые точные из доступных измерений показывают, что соотношения вольфрама и гафния Земли и Луны одинаковы. «Потребовалось бы особое совпадение для двух тел, чтобы в итоге получить одинаковые составы», - признается Дауфас.

Подсказки к другим мирам

Понимание Луны - нашего постоянного спутника, нашей серебряной сестры, мишени мечтателей и исследователей с незапамятных времен - само по себе достойное дело. Но ее история происхождения и история камней, таких как троктолит 76536, могут быть только одной главой в гораздо большей эпопее.

«Я воспринимаю это как подход к более общему вопросу: что произошло, когда сформировались земные планеты?» - сказал Стивенсон.

Синестия может помочь ответить на этот вопрос; Лок и Стюарт утверждают, что синестия образовались в ранней Солнечной системе, когда протопланеты сталкивались и рассыпались. Многие скалистые тела, возможно, изначально были паром, поэтому изучение развития синестии, могло бы помочь ученым выяснить, как эволюционировали Луна и другие земные миры.

Помогло бы и большее количество образцов с Луны и Земли, особенно из каждой мантии, потому что у геохимиков было бы больше данных.

«Когда мы говорим, что Земля и Луна очень близки к идентичности в трех изотопах кислорода, мы предполагаем, что мы действительно знаем, что такое Земля, и мы на самом деле знаем, что такое Луна», - отмечает Стивенсон.

Новые изменения в теории происхождения Солнечной системы, которые часто основаны на сложном компьютерном моделировании, также проливают свет на то, где планеты родились и куда они мигрировали. Ученые все чаще предполагают, что мы не можем рассчитывать на то, что Марс расскажет эту историю, потому что он, возможно, сформировался в другой области Солнечной системы, чем Земля, энстатиты и Тея.

В конечном счете, ученые соглашаются, что лучшие ответы может дать Венера, планета, больше всего похожая на Землю.

Без образцов с Венеры и необходимых лабораторий, ученым придется и дальше разрабатывать новые модели и пересматривать историю происхождения Луны.