Рождение Луны «перевернуло» Землю
Астрофизики из Института SETI, Гарвардского университета, а также университетов Калифорнии и Мэриленда уточнили модель возникновения Луны, объяснив наклонение ее орбиты к земному экватору. Ученые предположили, что первичное столкновение могло быть в разы сильнее, чем считалось ранее — оно привело к тому, что земная ось оказалась почти направленной в сторону Солнца, а сутки сократились до двух часов. По словам авторов, работа позволяет лучше описать наблюдаемые аномалии изотопного и химического состава Луны. Исследование опубликовано в журнале Nature, кратко о нем сообщает пресс-релиз Университета Калифорнии в Дэвисе.
Основная гипотеза происхождения Луны — гигантское столкновение. Согласно этой гипотезе, прото-Земля столкнулась с небесным телом с размерами, сопоставимыми с Марсом (его называют Тейей). Это привело к выбросу значительного количества материала на околоземную орбиту и увеличило скорость вращения будущей Земли до одного оборота в пять часов.
Со временем в обломочном диске произошла аккреция — слипание материала. Это привело к формированию Луны, которая за счет приливного воздействия замедлила Землю до нынешней скорости вращения.
У этой гипотезы, тем не менее, есть ряд пробелов — так, она не объясняет наклонение орбиты Луны к плоскости земного экватора. Согласно многим сценариям обломочный диск должен был сформироваться в экваториальной плоскости, а современное наклонение составляет около 5 градусов. Кроме того, большая доля материала Луны должна соответствовать материалу небесного тела, врезавшегося в Землю. Это противоречит экспериментальным данным, показывающим схожий изотопный и химический состав Луны и Земли. В то же время ученые отмечают, что химический состав разных небесных тел Солнечной системы, как правило, сильно отличается.
В новой работе авторы предположили, что сила удара в гипотезе гигантского столкновения была выше, чем считалось раньше. Физики допустили, что после удара ось вращения Земли оказалась направлена к Солнцу, а обломочный диск при этом находился в экваториальной плоскости.
Скорость вращения будущей Земли при этом достигала одного оборота за два часа. По мнению ученых, это позволило сильнее перемешать материал небесного тела и прото-Земли, что объясняет сходство химических составов.
Приливные силы между возникшей Луной и Землей привели к тому, что спутник начал отдаляться от планеты. При этом его орбита и ее наклонение претерпели серьезные изменения, связанные с изменением положения плоскости Лапласа системы. Это специальная плоскость, в которой прецессирует орбита спутника планеты (точнее, ее нормаль). Известно, что для спутника, расположенного близко к планете, плоскость Лапласа совпадает с экваториальной плоскостью планеты — последняя оказывает наибольшее влияние на динамику небесного тела. Для удаленных спутников плоскость Лапласа приближается к плоскости орбиты планеты — наибольшее влияние тогда оказывает гравитация Солнца.
В случае, когда ось вращения Земли направлена почти к Солнцу, угол между «ближней» и «дальней» плоскостями Лапласа близок к 90 градусам.
Симуляция показывает, что если по мере удаления от планеты Луна совершает переход между сильно отличающимися плоскостями Лапласа (угол больше 60 градусов), происходит резкий переход, сильно возмущающий эксцентриситет и другие параметры орбиты. В результате наклонение лунной орбиты к плоскости экватора достигает 30 градусов. Вместе с тем происходит смещение оси вращения Земли — она отклоняется от направления к Солнцу и приближается к современному состоянию. В течение следующих десятков миллионов лет происходит уменьшение наклонения лунной орбиты к плоскости экватора к современному состоянию.
Ученые подчеркивают, что новая модель эволюции лунной орбиты не требует дополнительных внешних воздействий от других небесных тел.
Это делает ее единственной существующей моделью, способной объяснить большое наклонение лунной орбиты в ее прошлом, которое привело к современной орбите. Кроме того, ось вращения Земли, лежащая близко к плоскости эклиптики, объясняет быструю потерю углового момента планетой из-за действия солнечной гравитации.
Ранее ученые уже пытались объяснить сходство химических составов Земли и Луны с помощью компьютерного моделирования высокого разрешения. Оказалось, вероятность случайного сходства составов достигает 20-40 процентов при учете возможных химических составов Луны. Существуют и другие теории происхождения нашего спутника — например, она могла возникнуть как независимое небесное тело при гравитационном сжатии газо-пылевого облака (модель Галимова-Кривцова). Однако такая теория хуже описывает угловой момент системы Земля-Луна.
Владимир Королёв
Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
Луны далеких миров: как ученые впервые увидели рождение спутника планеты
Астрономы впервые уверенно обнаружили вокруг молодой планеты облако вещества, в котором образуются ее луны.
До сих пор ни у одной планеты за пределами Солнечной системы не было найдено спутников, и никто не наблюдал их зарождения
Международная команда астрономов отчиталась в журнале Astrophysical Journal Letters о замечательном открытии. Ученые обнаружили вокруг планеты PDS 70с, которая тысячекратно младше Земли, дискообразное облако вещества. Именно из таких дисков, как считают теоретики, образуются спутники планет. Таким образом, мы впервые можем наблюдать за рождением новых лун. Открытие примечательно еще и тем, что до сих пор ни у одной экзопланеты (планеты за пределами Солнечной системы) не были достоверно обнаружены спутники.
Как планеты обзаводятся семьями
В Солнечной системе восемь планет, и все они, кроме Меркурия и Венеры, имеют спутники. Планета может обзавестись компаньоном несколькими путями.
Так, история образования Луны весьма драматична: согласно популярной среди специалистов теории, в молодую Землю некогда врезалась планета Тейя. Эта катастрофа выбросила в космос гигантские массы вещества, из которых и сформировалась Луна. Другой способ заполучить спутник — захватить своей гравитацией пролетающий мимо астероид (именно так, согласно одной из гипотез, появились луны Марса).
Свалка на орбите: почему космический мусор становится все опаснее
Однако большинство спутников в Солнечной системе, по мнению экспертов, зародились иначе. Они образовались из дискообразного облака вещества, окружавшего новорожденную планету. Такое облако называется околопланетным диском (circumplanetary disk). Этот процесс похож на формирование Солнечной системы в миниатюре, ведь и планеты возникают из протопланетных дисков, окружающих звезду.
Луны Солнечной системы появились миллиарды лет назад.
Ученые могут строить теории о далеком прошлом и проверять их фактами настоящего. Но это не сравнится с возможностью буквально увидеть рождение новых спутников.
Нетривиальная задача
Однако Вселенная не ограничивается Солнечной системой. Сегодня астрономам известно почти 4800 экзопланет. Нет никакой причины, по которой планеты Солнца должны быть богаты спутниками, а миры других звезд — нет. Так что у многих экзопланет наверняка есть луны. Правда, проверить это при сегодняшнем уровне техники почти невозможно. Планеты малы по сравнению со звездами и не испускают собственного света, обнаруживать их — весьма нетривиальная задача. Именно поэтому подавляющее большинство известных экзопланет находится в радиусе всего лишь тысячи световых лет от Земли, хотя Галактика гораздо больше. Что уж говорить о наблюдении за спутниками, которые намного меньше самих планет. На сегодняшний день есть лишь немногие косвенные свидетельства существования экзолун.
Типовое жилье: насколько уникальна Солнечная система
Однако обнаружить огромный (хотя и разреженный) околопланетный диск гораздо проще, чем плотные маленькие луны, которые из него в итоге образуются. Именно это и удалось авторам недавнего исследования.
Новые планеты
Звезда PDS 70 находится почти в 400 световых годах от Земли. Она примечательна своей молодостью: ей (а значит, и ее планетам) всего-то около 5 млн лет. То есть система PDS 70 примерно в тысячу раз моложе Солнечной.
В 2018 году, наблюдая PDS 70 в инфракрасных лучах, астрономы обнаружили планету PDS 70b. При этом использовался VLT — самый большой оптический и инфракрасный телескоп на Земле.
Через год была открыта вторая планета системы — PDS 70c. Обе — гиганты, с массами 7±2 и 4±1 масс Юпитера, соответственно. Эти космические сестры стали одними из немногих экзопланет, которые можно буквально увидеть на изображениях, пусть даже и в инфракрасных лучах (в видимом же свете астрономам пока не удалось разглядеть вообще ни одну экзопланету). Обычно для открытия далеких миров используются более изощренные методы, связанные с влиянием планеты на родительскую звезду.
Крупный план «лунообразующего» диска вокруг PDS 70c, молодой экзопланеты – газового гиганта типа Юпитера·ALMA
Более того, PDS 70b и PDS 70c — самые молодые из «сфотографированных» в инфракрасных лучах экзопланет и, по всей видимости, самые молодые планеты, в существовании которых ученые твердо уверены. Им всего 5 млн лет, их формирование даже еще не закончено. Поэтому эти объекты, строго говоря, нужно именовать протопланетами.
Две тысячи новых миров: что открыла космическая обсерватория TESS
Поясним, что астрономы наблюдают вокруг молодых звезд множество газопылевых дисков, в которых, вероятно, образуются планеты.
Их так много, что для классификации изображений приходится привлекать волонтеров и искусственный интеллект. Но одно дело — увидеть диск, и совсем другое — сами образующиеся в нем протопланеты. Лишь изредка наблюдателям удается зафиксировать борозды, которые новорожденные миры прочерчивают в облаке газа и пыли. Но и эти структуры не обязательно говорят о существовании протопланет: следы в протопланетном диске могут образоваться и каким-нибудь другим образом.
А вот протопланеты системы PDS 70 видны на инфракрасных снимках. Неудивительно, что они привлекают самое пристальное внимание исследователей. Тщательно изучая эту систему, специалисты надеются вызнать секреты образования планет. И, похоже, ученые нашли больше, чем искали. Они обнаружили, что могут наблюдать еще и формирование лун планеты PDS 70c. По крайней мере, наблюдатели обнаружили околопланетный диск — предполагаемую колыбель новых спутников.
Дети новорожденных
В 2019 году астрономы обнаружили нечто похожее на околопланетный диск вокруг планеты PDS 70b.
Эта команда использовала VLT и инфракрасные волны. В других исследованиях такой диск предположительно обнаруживался и вокруг второй планеты — PDS 70c. Но все эти данные были собраны на пределах возможностей инструментов и не выглядели достаточно убедительными.
На сей раз ученые использовали ALMA — телескоп, работающий на границе инфракрасного и радиодиапазонов. Инструмент улавливал тепловое излучение пыли, окружающей молодую звезду PDS 70 и все еще оседающей на ее формирующиеся планеты. Астрономы тщательно просканировали окрестности светила. Разрешение телескопа позволяло разглядеть детали размером в 1–2 астрономических единицы (а. е. — равна расстоянию от Земли до Солнца).
Никакого околопланетного диска вокруг мира PDS 70b не обнаружилось. Зато он нашелся вокруг планеты PDS 70c. Она, видимо, и стянула на себя своей гравитацией всю доступную пыль, оставив космическую сестру с носом.
И на сей раз, впервые в истории, этот диск был обнаружен достаточно надежно.
Великий SKAO: зачем строится самый большой в мире телескоп
«Результат нашей работы — четкая регистрация диска, в котором могут образовываться спутники планеты, — отмечает первый автор работы Мириам Бенисти из Гренобльского университета во Франции и университета Чили. — Наши наблюдения на ALMA были выполнены с таким великолепным разрешением, что мы впервые смогли уверенно идентифицировать связанный с планетой диск и оценить его размеры».
Диаметр этого диска около 1,2 а.е. — примерно столько, сколько и ожидалось для околопланетного диска планеты с массой PDS 70c. Определить массу самого диска сложнее: оценки колеблются от 0,6 до 2,5 масс Луны. Этого хватило бы на один крупный спутник или на множество мелких.
Триумф или ошибка: как поиски воды на Марсе привели к неожиданному открытию
«Получается, что эта система предоставляет нам уникальную возможность наблюдать и изучать процессы формирования планет и их спутников», — подытоживает соавтор исследования Стефано Факкини из Европейской южной обсерватории.
Правда, ALMA не может разглядеть в околопланетном диске вокруг молодой экзопланеты сами зарождающиеся луны (если, конечно, они там действительно есть). Этот телескоп «видит» только диск как таковой. Однако астрономическая техника развивается. 30-40 лет назад открытие экзопланет казалось фантастикой, а сегодня оно стало обычным делом. Возможно, в ближайшие десятилетия зрение человечества станет достаточно острым, чтобы обнаружить и экзолуны.
Мнение редакции может не совпадать с точкой зрения автора
Самый богатый человек Земли Джефф Безос побывал в космосе.
Фоторепортаж
15 фото
Как образовалась Луна?
Исследователь планетологии музея профессор Сара Рассел объясняет происхождение ближайшего спутника Земли.
Анализ образцов, доставленных из миссий НАСА «Аполлон», позволяет предположить, что Земля и Луна являются результатом гигантского столкновения ранней протопланеты с астрономическим телом под названием Тейя.
Теории происхождения Луны
«Раньше существовало несколько теорий о том, как была создана Луна, и одной из целей программы «Аполлон» было выяснить, как мы получили нашу Луну, — говорит Сара.
До начала исследований миссии «Аполлон» существовало три теории о том, как образовалась Луна. Доказательства, возвращенные из этих миссий, дали нам сегодня наиболее широко распространенную теорию.
- Теория захвата предполагает, что Луна была блуждающим телом (похожим на астероид), которое образовалось где-то в Солнечной системе и было захвачено гравитацией Земли, когда она проходила поблизости.
- Гипотеза аккреции предполагает, что Луна была создана вместе с Землей при ее формировании.
- Теория деления предполагает, что Земля вращалась так быстро, что часть материала отделилась и начала вращаться вокруг планеты.
- Теория гигантского удара сегодня наиболее широко распространена. Это предполагает, что Луна образовалась во время столкновения Земли с другой маленькой планетой размером с планету Марс. Обломки от этого удара собрались на орбите вокруг Земли, чтобы сформировать Луну.
Лунный метеорит Дар аль Гани 400. В 1998, этот экземпляр был найден в пустыне Сахара, в Ливии.
Лунные камни с миссий «Аполлон»
Миссии «Аполлон» доставили с Луны более трети тонны горных пород и почвы. Это дало некоторые подсказки о том, как могла образоваться Луна.
«Когда камни Аполлона вернулись, они показали, что Земля и Луна имеют некоторые поразительные химические и изотопные сходства, предполагая, что у них есть связанная история», — говорит Сара.
‘Если бы Луна была создана в другом месте и была захвачена гравитацией Земли, мы бы ожидали, что ее состав будет сильно отличаться от земного.
‘Если бы Луна была создана в то же время или отделилась от Земли, то можно было бы ожидать, что тип и соотношение минералов на Луне будут такими же, как на Земле. Но они немного отличаются.
Этот кусочек лунного камня размером с ноготь был подарен музею президентом Никсоном в 1973 году. Он был собран во время последней космической миссии «Аполлон». Узнайте больше о наших ссылках на миссии Аполлона.
Минералы на Луне содержат меньше воды, чем аналогичные земные породы. Луна богата материалом, который быстро образуется при высокой температуре.
‘В семидесятых и восьмидесятых годах было много споров, которые привели к почти всеобщему признанию модели гигантского удара.’
Лунные метеориты также являются важным источником данных для изучения происхождения Луны.
«В некотором смысле метеориты могут рассказать нам о Луне больше, чем образцы «Аполлона», потому что метеориты прилетают со всей поверхности Луны, — добавляет Сара, — в то время как образцы «Аполлона» поступают только из одного места у экватора на ближней стороне Луны.
Луна.’
Прото-Земля и Тейя
До Земли и Луны существовали прото-Земля и Тейя (планета размером примерно с Марс).
Модель гигантского столкновения предполагает, что в какой-то момент очень ранней истории Земли эти два тела столкнулись.
Луна могла образоваться в результате столкновения ранней протопланеты с астрономическим телом под названием Тейя. © Фернандо Астасио Авила/ Shutterstock
Во время этого массивного столкновения почти вся Земля и Тейя расплавились и преобразовались в одно тело, при этом небольшая часть новой массы отделилась, чтобы стать Луной, какой мы ее знаем.
Ученые экспериментировали с моделированием удара, изменяя размер Theia, чтобы проверить, что происходит при разных размерах и углах удара, пытаясь получить максимально возможное совпадение.
«Сейчас люди склоняются к идее, что ранняя Земля и Тейя изначально были сделаны почти из одних и тех же материалов, поскольку находились в одном районе во время формирования Солнечной системы, — объясняет Сара.
‘Если бы два тела прибыли из одного и того же места и были сделаны из одинакового материала, это также объясняет, насколько похож их состав.’
Поверхность Луны
Минералогия Земли и Луны настолько близки, что можно наблюдать луноподобные ландшафты, не вылетая в космос.
«Если вы посмотрите на лунную поверхность, то увидите, что она бледно-серая с темными пятнами», — говорит Сара. — Бледно-серый — это порода, называемая анортозитом. Он образуется, когда расплавленная порода остывает, и более легкие материалы всплывают наверх, а темные области представляют собой другой тип горной породы, называемый базальтом».
Что такое темные пятна на Луне?
Подобный анортозит можно увидеть на острове Ром в Шотландии. Более того, большая часть дна океана состоит из базальта — это самая распространенная поверхность на всех внутренних планетах нашей Солнечной системы.
«Однако на Луне есть что-то действительно особенное, чего мы никогда не сможем воспроизвести на Земле, так это то, что Луна геологически довольно мертва, — говорит Сара.
На Луне не было вулканов миллиарды лет, поэтому ее поверхность практически не изменилась. Вот почему так хорошо видны ударные кратеры.
Глядя на Луну, мы можем многое рассказать о том, какой была Земля четыре миллиарда лет назад.
Профессор Сара Рассел рассказывает больше о формировании Луны:
Уравновешивающее влияние
Наличие такой большой Луны, как наша, является уникальным явлением в нашей Солнечной системе.
«В то время как у других планет есть крошечные спутники, земная Луна размером почти с Марс, — говорит Сара.
‘Если вы посмотрите на другие планеты, похожие на нашу, вы увидите, что они довольно сильно качаются на своей орбите (движется Северный полюс), и в результате климат гораздо более непредсказуем.
‘
Кусок лунной породы анортозитовой брекчии в стеклянной призме
Луна помогла стабилизировать орбиту Земли и уменьшить движение полюсов. Это помогло создать относительно стабильный климат на нашей планете.
«Это предмет довольно многочисленных научных дебатов о том, насколько важна Луна для существования жизни на Земле».
Узнайте, как Луна влияет на жизнь на Земле.
Есть ли у Земли более одной луны?
Действительно может быть несколько объектов на орбите вокруг Земли. Но, насколько нам известно, это объекты, которые планета втянула на свою орбиту — скорее всего, захваченные астероиды. У этих естественных спутников не такая важная история, как у Луны, и они, вероятно, существуют только временно на орбите Земли.
Увидеть кусочек Луны в Музее
Исследуйте драгоценные камни и минералы, в том числе кусок лунного камня Аполлона, в галереях Земли Музея.
Ваш вопрос
Спросите ученого музея
У вас есть животрепещущий вопрос о науке или природе, на который вы хотите получить ответ? Заполните форму ниже, чтобы сообщить нам.
Мы будем работать с музейными учеными, чтобы превратить некоторые из ваших вопросов в истории, опубликованные в нашем онлайн-журнале Discover, или видеоролики на нашем канале YouTube.
Эта новая функция находится в стадии бета-тестирования. Узнать больше.
Ваш вопрос
Объяснение образования Земли и Луны
Серия объяснений
Узнайте больше о прорывах, впервые реализованных в Чикагском университете
К
Саша Уоррен
Земля образовалась более 4,6 миллиардов лет назад из смеси пыли и газа вокруг молодого Солнца. Он стал больше благодаря бесчисленным столкновениям между частицами пыли, астероидами и другими растущими планетами, включая один последний гигантский удар, выбросивший в космос достаточно камней, газа и пыли, чтобы сформировать Луну.
Несмотря на то, что горные породы, отражающие самые ранние этапы истории Земли, были разрушены или деформированы геологической деятельностью более четырех миллиардов лет, ученые могут использовать современные горные породы, образцы Луны и метеориты, чтобы выяснить, когда и как сформировались Земля и Луна, а также что они, возможно, когда-то выглядели так.
Перейти к разделу:
- Как образовались Земля и Луна?
- Как и когда образовалась ранняя Земля?
- Как образовалась Луна?
- Когда образовалась Луна?
- Как выглядела ранняя Земля?
- Как выглядела ранняя луна?
- Какие вопросы остаются?
Как образовались Земля и Луна?
Земля, как и все другие планеты Солнечной системы, начала свою жизнь как диск из пыли и газа, вращающийся вокруг молодого Солнца.
Частицы пыли были собраны силами сопротивления, чтобы сформировать глыбы породы, которые выросли в «планетезимали» диаметром от десятков до сотен миль, а затем в «протопланеты» размером с Марс, сталкиваясь друг с другом.
Земля выросла до своего окончательного размера в результате последнего крупного столкновения с другим объектом размером с Марс. Это последнее столкновение, также известное как «лунообразующее столкновение», было настолько сильным, что — в дополнение к добавлению большого количества материала на Землю — было достаточно энергии, чтобы испарить часть камня и металла как с протоземли, так и с Земли. воздействующий объект. Этот пар образовал диск вокруг Земли, который в конечном итоге остыл и слипся, превратившись в Луну.
Мы знаем это благодаря тщательным исследованиям метеоритов и образцов горных пород, в том числе в Чикагском университете, в 20-м и 21-м веках.
Понимание того, как сформировались Земля и Луна, важно для того, чтобы собрать воедино историю Солнечной системы и ответить на такие вопросы, как время формирования планет, из чего состоят планеты и что делает планету пригодной для жизни.
Это также направляет ученых-планетологов в их поисках других обитаемых (или обитаемых!) миров в нашей Солнечной системе и за ее пределами!
Как и когда образовалась ранняя Земля?
Теперь ученые считают, что история Земли началась около 4,6 миллиарда лет назад в дискообразном облаке пыли и газа, вращающемся вокруг раннего Солнца и состоящем из материала, оставшегося после формирования Солнца.
Внутри этого диска частицы газа и пыли разного размера вращаются вокруг Солнца с немного разными скоростями, что позволяет им сталкиваться друг с другом и слипаться. В конце концов, они превратились из крошечных пылинок в валуны, а затем в более крупные «планетезимали», диаметр которых варьировался от миль до сотен миль.
Поскольку эти планетезимали были крупнее валунов, они обладали достаточно сильной гравитацией, чтобы стягивать соседние планетезимали с орбиты и поглощать их в результате столкновений, что позволяло некоторым планетезималям становиться все больше и больше, пока они не достигли тысяч миль в диаметре — примерно размером с Луна и Марс.
Откуда мы знаем?
Ключ — метеориты. Метеориты приносят на Землю множество различных материалов со всей Солнечной системы, где ученые могут их изучать. Эти материалы включают хондры — крошечные кусочки пыли и камня, которые уцелели еще до образования планет, а также кусочки астероидов и планетезималей, оставшиеся в процессе строительства планет. Радиоактивные элементы, такие как уран и гафний, задерживаются внутри минералов, из которых состоят эти объекты, когда они формируются, что позволяет ученым-планетологам определить, сколько им лет.
Используя эти измерения и моделирование физики пыли и столкновений планетезималей, планетологи и астрономы установили, что процесс превращения пыли в протопланету занимает десятки миллионов лет.
Но финальная стадия формирования планет в нашей Солнечной системе могла занять гораздо больше времени — до ста миллионов лет или около того. Это было не только последнее крупное добавление материала к Земле, но и событие, которое сформировало Луну — и это одна из самых обсуждаемых частей истории.
Как образовалась луна?
Ученые предложили несколько различных теорий образования Луны. Однако история, которая лучше всего подтверждается всеми доступными данными, состоит в том, что Луна образовалась во время гигантского столкновения между прото-Землей и другой протопланетой размером примерно Марс, иногда известный как «Тейя».
Согласно этой теории, Луна образовалась из обломков удара — смеси расплавленной породы и горячего газа — выброшенных в космос в результате удара, потенциально сформировав диск материала, известный как «лунная синестия».
Альтернативные теории, предложенные учеными, включают:
- Луна оторвалась от Земли («Теория деления»)
- Луна сформировалась в другом месте Солнечной системы и была захвачена гравитацией Земли («Теория захвата»)
- Земля и Луна образовались из протопланетного диска одновременно («Со-формирование»)
Откуда мы знаем?
Образцы горных пород с Луны, доставленные на Землю лунными метеоритами и высадками на Луну Аполлона, могут быть использованы для понимания истории Луны и ее связи с Землей через химический состав их минералов.
Ученые-планетологи, такие как профессор Николя Дофас и профессор Энди Дэвис с факультета геофизических наук Чикагского университета, проводят точные измерения лунных образцов, чтобы точно определить, из чего они сделаны, и определяют химические следы различных геологических процессов, таких как плавление и перемешивание горных пород и испарение газов.
Первая большая подсказка о том, откуда появилась Луна, связана с кислородом. Кислород, как и многие другие элементы, может существовать в нескольких формах, известных как изотопы. Различные типы метеоритов, прилетающие из астероидов, оставшихся в Солнечной системе после образования планет, имеют разные пропорции каждого из этих изотопов кислорода. Итак, измеряя изотопы кислорода на данной планете, планетологи могут рассчитать различные типы астероидов, которые столкнулись, чтобы сформировать планету. Лунные образцы имеют очень похожий состав изотопов кислорода на Землю.
Некоторые ученые считают, что изотопы кислорода появились потому, что объект, упавший на Землю, состоял из той же смеси метеоритов, что и сама Земля, что потенциально позволяет предположить, что планета-ударник образовалась недалеко от Солнечной системы.
Другие ученые предполагают, что после удара весь кислород смог перемещаться в горячем паре, окружающем Землю и Луну, смешивая все различные изотопы кислорода и стирая все первоначальные различия между Землей и Тейей.
Однако между химией Земли и Луны тоже есть много различий. При высоких температурах, достигаемых во время планетарных столкновений, многие элементы, которые мы не привыкли считать газами, например, калий, цинк и натрий, могут существовать в виде пара. Концентрации этих «летучих» элементов в лунных породах намного ниже, чем в породах на Земле.
Одна из возможностей заключается в том, что у горячих обломков, образовавшихся при ударе, было много времени, чтобы испарить эти элементы, прежде чем они слиплись и образовали луну. Во-вторых, когда образовалась Луна, она была очень горячей с глубоким магматическим океаном, как и Земля, а низкая гравитация и отсутствие атмосферы на Луне позволяли летучим элементам, которые не вырвались бы из более крупного объекта, испариться в космос.
Обе эти улики трудно объяснить без гигантского удара. Ударное происхождение Луны обеспечивает высокие температуры, необходимые для объяснения нехватки калия, цинка и натрия на Луне, а также возможность большого количества смешивания между протоземлей и материалом, который станет луной. Но когда произошло это воздействие?
Когда образовалась Луна?
Ученые считают, что Луна образовалась во время гигантского столкновения примерно через 60-175 миллионов лет после рождения Солнечной системы. Чтобы получить эту оценку, они могут использовать камни с Земли.
По мере роста больших планетезималей тепло, выделяющееся при повторяющихся столкновениях и радиоактивном распаде элементов внутри их минералов — достаточно, чтобы вызвать плавление. Это позволяет материалам с разной плотностью разделяться, при этом такие металлы, как железо и никель, погружаются внутрь, образуя ядро, а более легкие камни «плавают» сверху.
Ко времени удара, образовавшего Луну, Земля уже была разделена на эти слои камня и металла.
Однако мощная сила и высокая температура удара вновь расплавили протоземлю, повторно смешав разделенные горные породы и металл. После этого смешения Земля была еще достаточно горячей, чтобы снова произошло разделение и образовались новые слои горных пород и металлов — это ключ к датировке образования Луны!
Когда рок и металл смешиваются, они могут поменять местами некоторые элементы. Такие элементы, как гафний, предпочитают смешивать с камнем, а не с металлом. Гафний распадается примерно за 10 миллионов лет, образуя вольфрам. Впервые Земля остыла и разделилась на горные породы и слои металла в начале истории Солнечной системы, поэтому в каменистом слое Земли присутствовало много гафния, потому что он еще не успел распасться до вольфрама. К тому времени, когда произошло столкновение с формированием Луны, большая часть этого раннего гафния распалась до вольфрама. Такие элементы, как вольфрам, предпочитают смешиваться с металлом, поэтому, когда удар снова смешал Землю, новообразованный вольфрам погрузился в металлическое ядро.
Это создало каменистый внешний слой с более низкой концентрацией гафния, чем раньше, и металлическое ядро с гораздо большим количеством вольфрама.
Сегодня весь гафний исчез, потому что у него короткий период полураспада по сравнению с возрастом Земли. Однако не все потеряно — это делает его очень полезным для определения времени событий в первые сто миллионов лет истории Солнечной системы. Концентрация вольфрама в земных породах зависит от того, когда произошло самое последнее разделение на слои породы и металла. Концентрация вольфрама в земных породах слишком мала, чтобы ее можно было объяснить ранним разделением металла и породы, что означает, что что-то должно было повторно смешать слои Земли. Лучшим объяснением тепла и энергии, необходимых для этого, является гигантское столкновение примерно через 60-175 миллионов лет после рождения Солнечной системы.
Как выглядела ранняя Земля?
После удара, образовавшего Луну, Земля сильно отличалась от мира, который мы видим сегодня! В то время как современная Земля имеет океаны, покрывающие большую часть ее поверхности, ранняя Земля была покрыта океаном магмы — слоем расплавленной породы глубиной в сотни миль, расплавленной энергией, выделившейся во время столкновения.
Любая присутствующая вода будет существовать только в виде водяного пара в атмосфере.
Если этого было недостаточно, раннее солнце также было гораздо более активным, чем сегодня, обрушивая всю солнечную систему УФ-излучением, достаточно мощным, чтобы испарить целые атмосферы.
Со временем, после того как магматический океан достаточно остыл, чтобы образовать твердую поверхность, атмосфера Земли пополнялась за счет вулканических извержений, а также воды и других газов, доставляемых кометами и метеоритами, врезавшимися в поверхность.
Это также был первый шаг к развитию тектоники плит на нашей планете. Тектоника плит описывает гигантские «плиты» земной коры, которые медленно перемещаются по поверхности Земли на протяжении сотен миллионов лет; он не только производит новые породы в вулканах, где плиты раздвигаются, но также может перерабатывать камни с поверхности Земли и атмосферы обратно внутрь, где плиты сходятся. Этот процесс, известный как «субдукция», переносит камни, воду и углекислый газ, захваченные минералами, обратно в недра Земли, где они могут вызвать будущие извержения вулканов, продолжая тектонический цикл плит.
Некоторые планетологи считают, что тектоника плит необходима для развития жизни на планете. Это связано с тем, что повторяющееся образование и разрушение земной коры в результате тектоники плит одновременно высвобождает углекислый газ в атмосферу и удаляет его, помогая поддерживать одинаковые температуры на Земле (и комфортные для микробов, рыб и людей!) на протяжении миллиардов лет.
Наличие у планеты тектоники плит гораздо сложнее, чем просто наличие твердой поверхности, и может также зависеть от типов и количества различных астероидов, планетезималей и протопланет, из которых состоит Земля, из-за того, что различные химические вещества и вещества полезные ископаемые могут изменить поведение недр планеты на протяжении миллиардов лет.
Как выглядела ранняя луна?
Большинство из нас представляет себе Луну как безлюдное, серое место с кратерами и ничем другим, но на протяжении большей части своей истории она была удивительно геологически активной.
Как и Земля, Луна началась с толстого слоя расплавленной породы на ее поверхности.
Однако, в отличие от Земли, поверхность Луны не охлаждалась, образуя тектонические плиты. Вместо этого у него толстая корка, почти полностью состоящая из светлого минерала, называемого полевым шпатом. Полевой шпат является основным материалом, из которого состоят яркие области, которые мы можем видеть на Луне сегодня, также известные как лунные нагорья. Полевой шпат кристаллизовался, когда океан магмы остыл, и стал достаточно легким, чтобы всплыть на поверхность Луны поверх других минералов и оставшейся магмы. (Планетарные ученые могут использовать тот факт, что эта корка из полевого шпата образовалась на Луне, а не на Земле, чтобы попытаться определить различия в раннем химическом составе и условиях охлаждения между двумя объектами, чтобы узнать больше об образовании Луны.)
Однако образование корки из полевого шпата не ознаменовало конец геологической активности на Луне. Тепло, оставшееся от удара, а также дополнительное тепло, выделенное радиоактивными элементами, было способно расплавить горную породу глубоко в полдень, чтобы подпитывать вулканы на ее поверхности.
В результате таяния образовался базальт, порода темного цвета, обычно встречающаяся сегодня в вулканах на Земле в таких местах, как Гавайи и Исландия. Базальт разлился на сотни километров по поверхности Луны, образовав «кобылу» (что означает «моря» на латыни) толщиной до мили. Эти кобылы покрывают около 16% поверхности Луны и видны невооруженным глазом как темные пятна на Луне.
Ученые-планетологи могут сказать, что базальтовые кобылы моложе, чем полевошпатовые нагорья, по количеству кратеров на различных поверхностях. У кобылы меньше кратеров на верхней поверхности, чем у высокогорья, потому что у них было меньше времени, чтобы пострадать от астероидов и метеоритов. Считается, что самой молодой кобыле всего 1,1 миллиарда лет, а это означает, что вулканы на Луне все еще извергались через два миллиарда лет после появления первых признанных свидетельств жизни на Земле!
Еще одной особенностью ранней Луны была ее орбита. Сегодня Луна удаляется от Земли примерно на 1,5 дюйма каждый год.
Ученые-планетологи рассчитали расстояние между Землей и Луной в обратном направлении во времени и обнаружили, что Луна была в семнадцать раз ближе (14 000 миль против 250 000 миль), когда формировалась.
Это изменяющееся расстояние между Землей и Луной является важной подсказкой о деталях удара, формирующего Луну, потому что изменение размера, скорости и углов сближения ударных элементов в симуляциях формирования Луны изменяет орбиту окончательной системы Земля-Луна. Планетологам необходимо найти моделирование удара, которое могло бы соответствовать не только химическому составу Луны, но и тому, как далеко она находилась от Земли и как быстро она вращалась изначально.
Какие вопросы остались?
Хотя ученые согласны с тем, что Луна образовалась в результате удара, детали удара все еще обсуждаются. Ученые до сих пор не пришли к единому мнению о том, насколько велик был столкнувшийся объект, как быстро он двигался, из чего он был сделан и даже следует ли нам называть его «Тейя».
Некоторые ученые даже утверждают, что Луна могла быть сформирована несколькими столкновениями, а не одним!
Лабораторные эксперименты
помогают ученым лучше понять, что происходит с различными типами горных пород и элементами в экстремальных условиях крупных ударов. Исследовательская группа профессора Николаса Дофаса из Калифорнийского университета в Чикаго испаряет металлы в вакууме, чтобы смоделировать условия, присутствующие в облаке ударных обломков, чтобы попытаться объяснить, почему в лунных породах гораздо меньше таких элементов, как натрий, цинк и калий, по сравнению с Землей.
Однако некоторые эксперименты могут быть слишком масштабными для лаборатории, поэтому для исследования влияния формирования Луны также используется компьютерное моделирование. Эти симуляции позволяют ученым виртуально сталкивать прото-Землю и различные типы планетезималей на разных скоростях и под разными углами, чтобы выяснить, какие комбинации свойств могут сформировать луну с такими размерами и орбитой, которые мы видим сегодня.