Луна образовалась немного позже, чем предполагалось ранее. Когда протопланета размером с Марс была разрушена в результате столкновения с молодой Землей, из обломков, выброшенных во время этого столкновения, было создано новое тело, которое стало Луной. Ученые использовали новую числовую модель для восстановления времени, в которое произошло событие — 4.425 млрд. лет назад. Предыдущие предположения о формировании луны были основаны на возрасте 4,51 млдр. лет, то есть на 85 миллионов лет раньше, чем показывают новые вычисления. Ученые сообщили о своих выводах в журнале Science Advances.
Четыре с половиной миллиарда лет назад солнечная система все еще была хаотичной. Земля все еще росла до нынешних размеров, собирая материю в форме планетезималей. Они ранее сформировались в диске пыли и газа, вращающемся вокруг раннего Солнца. Молодая Земля консолидировалась, становясь все горячее внутри. Все большие части скалистой мантии растаяли и образовывали магматический океан. Именно в это время Земля приобрела естественный спутник. Массивное космическое столкновение между Землей и протопланетой выбросило в космос камень с молодой Земли. В конце концов, этот мусор сгустился, образовав новое планетное тело — Луну.
В принципе, большинство ученых сходятся во мнении о том, как образовалась Луна, но не о деталях процесса, и особенно не о времени, когда он произошел.
Результаты последнего моделирования планетарные геофизиков в Немецком аэрокосмическом центре (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt; DLR), возглавляемые Максимом Морисом, вместе с исследователями из Университета Мюнстера, позволяют предположить, что протопланета столкнулась с молодой Землей примерно через 140 миллионов лет после рождения Солнечной системы 4,567 миллиарда лет назад. Согласно их расчетам, это произошло 4,425 миллиарда лет назад.
В то время Земля только что превратилась в планету. Во время этого развития тяжелые металлические компоненты утонули к центру Земли и сформировали ядро из железа и никеля, которое было окружено толстой мантией силикатных пород. Мантийные породы становятся все более горячими. Это позволило разделить металлы и силикаты в недрах Земли в течение нескольких десятков миллионов лет.
На этой стадии Земля была поражена Тейей, протопланетой, которая была размером с Марс. В первые дни солнечной системы было бы много таких тел. Некоторые были выброшены из Солнечной системы, а другие были уничтожены в результате столкновений с другими телами. Тея, однако, ударила Землю и вызвала выброс такого большого количества материала из мантии планеты, что луна могла образоваться из нее. Во время этого сильного удара образовался магматический океан глубиной в несколько тысяч километров. Сегодня после этого столкновения не осталось никаких следов Теи.
Столкновение двух тел с его огромной энергией также испарило большое количество камней из ранней мантии Земли. Все это вещество было выброшено и собрано в кольцо пыли вокруг Земли, прежде чем оно снова собралось, чтобы сформироваться в камень. Исходя из этого, Луна образовалась за короткое время, возможно, всего за несколько тысяч лет.
Ученые во многом согласны с историей образования Луны. Тем не менее, они не смогли установить точную дату, так как ни одна из лунных скал, доставленных на Землю, не регистрирует возраст естественного спутника Земли. Исследователи из DLR и Университета Мюнстера определили, когда Луна образовалась, используя новый косвенный метод. Их расчеты показывают, что это, скорее всего, произошло в самом конце формирования Земли.
Не только Земля имела океан магмы в раннем возрасте. Энергия, полученная в результате аккреции, также привела к образованию магматического океана на Луне. Луна почти полностью растаяла и, подобно Земле, была покрыта магматическим океаном глубиной более 1000 километров. Этот магматический океан быстро начал затвердевать и образовал на поверхности корку плавающих легких кристаллов. Но под этой изолирующей корой, которая замедляла дальнейшее охлаждение и затвердевание магматического океана, Луна долгое время оставалась расплавленной. До сих пор ученые не могли определить, сколько времени потребовалось, чтобы магматический океан полностью кристаллизовался, поэтому они не могли сделать вывод, когда Луна первоначально сформировалась.
Чтобы рассчитать время жизни магматического океана Луны, ученые использовали новую компьютерную модель, которая впервые всесторонне рассмотрела процессы, связанные с затвердеванием магмы. Результаты модели показывают, что магматический океан Луны был долгоживущим, и потребовалось почти 200 миллионов лет, чтобы полностью затвердеть в мантийных породах. Старые модели показали период затвердевания всего в 35 миллионов лет.
Чтобы определить возраст луны, ученым пришлось пойти еще дальше. Они рассчитали, как состав минералов, богатых магнием и железом, которые образуются во время затвердевания магматического океана, со временем менялся. Исследователи обнаружили резкое изменение состава оставшегося магматического океана по мере затвердевания.
Это открытие является значительным, поскольку оно позволило авторам связать образование различных типов горных пород на луне с определенной стадией эволюции его магматического океана. Сравнивая измеренный состав лунных пород с предсказанным составом магматического океана из модели, исследователи смогли проследить эволюцию океана до его начальной точки, времени, когда образовалась Луна.
Результаты исследования показывают, что Луна образовалась 4,425 ± 0,025 миллиарда лет назад. Точный возраст Луны находится в согласии с возрастом, ранее определенным для формирования металлического ядра Земли с помощью уран-свинцового метода, точки, в которой формирование планеты Земля было завершено. Впервые возраст Луны можно напрямую связать с событием, произошедшим в самом конце формирования Земли, а именно с образованием ядра.