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.
Сказка о рождении Луны | Наука и жизнь
Другие научные сказки Ник.
Горькавого печатались в журнале «Наука и жизнь» в 2010—2013 гг. и в №№ 1—3, 7, 8, 10, 2014 г.
Cпутник Земли — Луна — всего в 81 раз легче самой планеты. Фото: Gregory H. Revera/ Wikimedia Commons.
тарт «Аполлона-11» — первой экспедиции землян на Луну. Космический центр Кеннеди, штат Флорида, США. 16 июля 1969 года. Фото: НАСА.
Астронавт Эдвин Олдрин (экспедиция «Аполлон-11») на Луне. Снимок командира корабля Нила Армстронга. 21 июля 1969 года. Фото: НАСА.
Астронавт Юджин Сернан опробует вездеход на лунной поверхности во время последней лунной экспедиции «Аполлон-17». 7 декабря 1972 года. Фото: НАСА.
Лунная скала, сфотографированная космическим геологом Харрисом Шмиттом в ходе экспедиции «Аполлон-17». 7 декабря 1972 года. Фото: НАСА.
Робот-спутник LADEE (США) на орбите вокруг Луны. Его старт состоялся 6 сентября 2013 года. Фото: НАСА.
‹
›
Открыть в полном размере
Королева Никки приехала в гости к принцессе Дзинтаре и застала её детей — Галатею и Андрея — ожесточённо спорящими.
Раскрасневшаяся Галатея обернулась к Никки:
— Ты знаешь, как возникла наша Луна? — и ткнула пальцем в бледный полукруг, висящий в вечернем небе.
Никки усмехнулась:
— Однажды я задала этот же вопрос своему учителю, и тот сказал, что люди ищут ответ на него уже миллионы лет, с тех пор, как в их глазах зажглась искра разума. Два самых ярких и крупных объекта на небе — Солнце и Луна — казались землянам важнее всех прочих звёзд и планет. Из мифов и теорий о рождении Луны можно составить целую книгу. Многие столетия происхождение спутника Земли объясняли просто: бог создал Землю и, конечно, Луну.
А потом появились учёные. Они выдвигали разные теории возникновения планет и их спутников. Николай Коперник «заставил» планеты вращаться вокруг Солнца, но это не изменило статус Луны, — она по-прежнему оставалась единственным известным планетным спутником и самым близким к Земле космическим телом. А когда Галилео Галилей увидел в свой телескоп четыре новые «луны», обращающиеся вокруг Юпитера, это стало потрясением основ мироздания.
Оказалось, что кроме Луны есть и другие планетарные спутники!
Помимо четырёх галилеевых спутников Юпитера в XVII веке открыли пять спутников Сатурна. XVIII век ознаменовался открытием планеты Уран, двух крупнейших его спутников, а также парочки новых спутников Сатурна. В XIX веке обнаружили ещё больше небесных тел: кроме астероидов и планеты Нептун со спутником Тритоном астрономы увидели по два новых спутника у Марса, Сатурна и Урана и ещё один, пятый, спутник у Юпитера. Всего к началу ХХ века, не считая Луны, открыли двадцать один спутник у пяти планет: четыре из них — Ио, Каллисто и Ганимед у Юпитера и Титан у Сатурна — оказались больше и тяжелее Луны.
— Значит, наша Луна ничем не лучше других спутников? — немного расстроившись, произнесла Галатея.
Никки покачала головой:
— Даже после их открытия Луна не потеряла своей исключительности, обусловленной, по мнению учёных, её большой относительной массой — 1,2% массы Земли. Луна всего в 81 раз легче Земли, в то время как спутники Юпитера в тысячи раз менее массивны, чем их планета.
Земля со своим спутником особенно выделяется среди соседних «земноподобных» планет — Меркурия, Венеры и Марса. У первых двух вообще нет спутников, а у Марса они просто крошечные по сравнению с Луной. Но, к сожалению, по четырём планетам земной группы нельзя проследить какую-либо закономерность, ведь на каждое правило приходится ряд исключений. Является ли наличие спутниковых систем у Марса и Земли правилом, а отсутствие их у Меркурия и Венеры — исключением? Учёные до сих пор не могут ответить на этот вопрос.
Статус рекордсмена по относительной массе Луна удерживала очень долго, несмотря на то что в ХХ веке открыты многие десятки спутников планет-гигантов.
Среди астрономов были те, кто считал Луну уникальным спутником, способ образования которого должен быть особенным, отличным от механизма образования спутников других планет, например Марса.
В XIX и ХХ веках учёные выдвинули ряд теорий образования Луны — от захвата её Землёй из космоса в готовом виде* до отделения от быстро вращающейся Земли**.
— Как это? — удивилась Галатея.
Никки пояснила:
— Если сильно раскрутить тело, то центробежные силы могут разорвать его на части.
— Вспомни, что я вчера делал, — пришёл на помощь Андрей.
— Ты крутил на верёвке какую-то штуку, та оторвалась и чуть мне в лоб не попала! — сердито выпалила Галатея.
— На самом деле это была модель самолёта. Я её так раскрутил, что верёвка разорвалась и модель улетела от меня. Примерно то же произошло с Землёй и Луной, верно? — обернулся Андрей к Никки.
— Верно, — согласилась она, — только не с реальными Землёй и Луной, а с их гипотетическими аналогами в модели центробежного распада. Со временем учёные нашли в этой модели, впрочем как и в других ранних гипотезах, серьёзные противоречия, и они заняли своё место в ещё не созданном сборнике неправильных теорий образования Луны.
Самой живучей и непротиворечивой оказалась аккреционная модель.
В Советском Союзе в начале 1970-х годов её разработала группа Шмидта — Сафронова. Одна из участ-
ниц проекта — Евгения Рускол опубликовала в 1975 году книгу под названием «Происхождение Луны».
— А что означает слово «аккреция»? — решила уточнить Галатея.
— Оно произошло от латинского «аccretio», в переводе — «слипание», «приращение», «присоединение». Согласно аккреционной модели, на ранней стадии формирования Земли вокруг неё постепенно аккумулировался диск, очень похожий на кольца Сатурна. Диск образовался в процессе слипания (аккреции) твёрдых частиц метеоритов, облаков пыли и газа, потом он уплотнялся, и из него постепенно выросла Луна. Спутники газовых планет — Юпитера и Сатурна, — скорее всего, тоже выросли из аккреционных дисков, вращающихся вокруг зародышей гигантских планет. Правда, диски планет-гигантов существенно менее массивные, чем диск, из которого выросла Луна.
— Значит, когда мы лепим снежки или катаем снежный ком из липкого снега — это тоже аккреция? — полувопросительно заявил Андрей.
Никки кивнула и продолжила рассказ.
— Аккреционная модель предполагает, что средний химический состав Луны должен быть схож со средним химическим составом Земли.
— А что значит средний? — спросила Галатея.
— Объясню. В начальной стадии образования Земля была раскалена до жидкого состояния. Тяжёлые металлы тонули в магме и собирались в металлическом ядре планеты. На поверхности оставались «лёгкие» каменные континенты, обеднённые железом и другими металлами. Это привело к разделению внутренних слоёв Земли на кору, мантию и металлическое ядро (твёрдое — внутреннее и жидкое — наружное). Если снова хорошенько «перемешать» планету, то её средний химический состав должен быть таким же, как у Луны, которая, согласно аккреционной теории, не проходила стадию плавления и разделения металлов.
В 1970-х годах спутник Земли изучали американские лунные экспедиции, доставившие на Землю сотни килограммов образцов лунных камней и песка, и советские межпланетные станции «Луна-16», «Луна-20» и «Луна-24», осуществившие автоматическую доставку на Землю образцов лунной поверхности, а также радиоуправляемые самоходные аппараты «Луноход-1» и «Луноход-2».
Химики проанализировали полученные данные и образцы и с удивлением обнаружили, что на Луне очень мало железа, примерно столько же, сколько в земной коре.
— Но ведь ты сказала, что в земной коре его мало, потому что оно утонуло и собралось в ядре, — напомнил Андрей.
— Верно. Но Луна-то не была расплавлена. Почему же она оказалась обеднена металлом? Аккреционная теория не смогла ответить на этот вопрос.
В 1975 году американские учёные выдвинули новую теорию, которая утверждала, что Луна родилась из кусков земной коры и мантии, отколотых от планеты и выброшенных в космос. Вы только подумайте: нам трудно вывести в космос спутник весом всего 10 тонн, а, согласно новой теории, для образования Луны нужно было запустить на стабильную орбиту вокруг Земли семьдесят три миллиарда миллиардов тонн камня!
— Ух ты! — не удержался от восклицания Андрей.
— Создателям новой теории пришлось придумать ужасную катастрофу, которая произошла с нашей планетой более четырёх миллиардов лет назад.
Они предположили, что другая планета размером примерно с Марс — этот гипотетический объект назвали Тея — налетела на нашу планету по касательной траектории. Врезавшись в край Земли, она отрубила от неё гигантский кусок, и он вылетел в космос…
— И стал Луной? — не удержалась от вопроса Галатея.
— Поначалу нет. Дело в том, что выброшенные в космос одним ударом куски планеты либо вообще покидают окрестности Земли, либо возвращаются назад. И этот гигантский кусок, не удержавшись в космосе, вернулся на Землю и выбил из неё ещё несколько кусков поменьше. В результате катастрофы подавляющее большинство выброшенной массы снова вернулось на Землю, а некоторые обломки земной коры остались на орбите и образовали вокруг нашей планеты маломассивный диск, из которого и выросла потом Луна.
Эту модель образования Луны назвали теорией мегаимпакта, или сверх-удара. Она в некоторой степени повторяла старую теорию Джеймса Джинса, согласно которой наша планетная система возникла из струи солнечного вещества, вырванного из Солнца другой звездой при её прохождении на близком от него расстоянии.
Модель мегаимпакта принципиально базировалась на гигантской катастрофе, — только суперудар сверхмассивного тела мог заставить малую часть выброшенного из Земли вещества удержаться на орбите, в то время как обломки, выбиваемые с поверхности планеты сравнительно небольшими астероидами, выйти на орбиту вокруг неё не могли.
— Небольшими, это какими? — попросил уточнить Андрей.
— В тысячи и сотни километров в диаметре, — пояснила Никки.
— Ничего себе, да эти астероиды просто огромные!
— Да, и они могли выбить с поверхности Земли множество обломков, но те не задерживались на лунной орбите.
Теория мегаимпакта стала очень популярной, потому что решала сразу две проблемы: дефицита железа на Луне (согласно теории, она формировалась из уже обеднённых металлами кусков земных континентов) и большой массы (что объяснялось исключительно редким соударением двух гигант-ских небесных тел).
В конце ХХ века Луна потеряла статус исключительного спутника.
Случилось это после того, как в 1978 году возле небольшого Плутона, находящегося за орбитой Нептуна, открыли спутник Харон, масса которого составляла 12% массы самой планеты. Таким образом, Харон обогнал Луну по относительной массе в 10 раз.
Следующий удар по «авторитету» Луны нанесли астероиды. Раньше их считали строительным мусором, оставшимся на месте несформировавшейся планеты. При ближайшем рассмотрении многие астероиды оказались очень похожими на настоящие планеты. Возле них даже были открыты спутники! Сначала это засвидетельствовали наблюдения группы астрономов Крымской астрофизической обсерватории. А в 1993 году к одному из астероидов, названному Ида, подлетел американский межпланетный аппарат «Галилео» и обнаружил рядом с ним округлый спутник Дактиль диаметром 1,4 км. В последующие 20 лет были открыты сотни спутников у астероидов, расположенных между Землёй и Юпитером, а также у транснептунов — космических тел за орбитой Нептуна. Масса спутников астероидов нередко сопоставима с массой самих астероидов.
У таких астероидов, как, например, Сильвия, по два спутника, очень похожих на Луну, — они движутся по почти круговым орбитам близко к плоскости экватора своего астероида.
— А почему открытие этих спутников стало ударом по модели мегаимпакта? — поинтересовалась Галатея.
— Потому что модель, созданная на основе медленного столкновения двух огромных планет, никак не могла объяснить существование спутников возле множества крошечных астероидов. Предположим, маленький астероид столкнулся по касательной с другим астероидом. Скорость их взаимного соударения — многие километры в секунду, а скорость движения спутника на орбите вокруг астероида — всего лишь несколько метров в секунду. Можно ли предположить, что быстрое соударение таких тел породит медленный спутник возле астероида? Нет, конечно. Астероиды хрупки и сыпучи: от сильного удара не только спутник не мог появиться, но и сам астероид попросту развалился бы и превратился в тучу обломков!
— Легче представить себе две пули, которые столкнулись в полёте и стали вальсировать вокруг друг друга! — воскликнул Андрей.
Никки посмотрела на детей и продолжала:
— Открытие Харона, а также огромного количества спутников возле астероидов и транснептунов побудило учёных заняться созданием новой теории образования спутников. Странно было бы полагать, что для тысячи спутников астероидов, Плутона и других транснептунов существует универсальная теория их образования, а для одного из этих спутников — Луны, ничем не выделяющейся из общего ряда, за исключением близости к Земле, будет работать особая теория мегаимпакта. Логичнее предположить, что модель, объясняющая происхождение Харона и двойных астероидов, легко сможет объяснить и происхождение Луны.
— Так что же это за новая теория? — нетерпеливо спросила Галатея.
— Она возникла на стыке двух моделей — аккреционной и мегаимпакта. Новую модель в начале 2000-х годов создали независимо друг от друга планетологи из группы В. С. Сафронова в Москве и сотрудники Симеизской обсерватории в Крыму, которые разработали сначала модель происхождения небольших спутников планет-гигантов, а потом и крупного спутника Земли.
Эти учёные пошли дальше своих предшественников и сумели создать корректную теорию образования Луны и спутников астероидов. Заключается она в следующем. У всех планет имелись первоначальные аккреционные диски, как у газовых планет-гигантов. А у планет с каменистой поверхностью и у астероидов был дополнительный источник веществ, участвующих в формировании дисков, — частые выбросы облаков пыли и обломков при ударе метеоритов в твёрдую поверхность. Эти обломки взаимодействовали с вращающимся диском и оседали на нём, не возвращаясь на поверхность планеты.
— То есть диск помогал обломкам выйти на орбиту? — догадался Андрей.
— Именно так. Одним ударом вывести обломок на орбиту очень трудно. Возьмём, к примеру, ракету. Она поднимается на орбиту вокруг планеты, потому что всё время сама поправляет свою траекторию. Так и обломок земной коры, получив вначале толчок от метеорита, а потом — коррекцию орбиты от частиц диска, остаётся на орбите. Эти обломки накапливались и образовывали диски вокруг астероидов, а потом срастались в аккуратные спутники-шарики на круговых орбитах.
Так астероиды рождали свои луны.
Эта же модель оказалась применимой для объяснения образования Луны: она возникла из обломков Земли, поднявшихся на орбиту в результате не одного суперудара гигант-ской планеты, а множества ударов астероидов, которые в сотни и тысячи раз меньше гипотетической Теи.
По расчётам крымских учёных, в момент образования Луна располагалась гораздо ближе к Земле и лишь потом, под воздействием огромных приливных горбов, отодвинулась от неё.
— Луна отодвигается от Земли? — поразилась Галатея.
— Да, наш спутник вызывает на Земле приливные горбы, которые действуют на саму Луну, так сказать, ускоряющим образом. Это означает вот что. Земля быстро вращается и смещает эти горбы по ходу своего вращения. Луна тянет их назад своей гравитацией, но и они притягивают её к себе. В результате Луна медленно ускоряется, а это значит, что она поднимается на более высокую орбиту и отодвигается от Земли.
Возможно, раньше за орбитой Луны существовали более мелкие спутники Земли, как, например, у Плутона — у него за орбитой Харона находятся ещё четыре спутника.
— И что же с этими мелкими спутниками Земли произошло? Почему мы их не видим? — поинтересовался Андрей.
— Луна, отодвигаясь от Земли, должна была их «съесть», — пожала плечами Никки. — Думаю, это было величественное зрелище — столкновение большого и маленького спутников Земли, породившее массу обломков и пылевых вихрей, вытянувшихся во временное кольцо вокруг Земли…
— Так вот как ты родилась, серебряная Луна! — воскликнула Галатея, глядя в окно на сияющую половинку лунного диска.
***
Луна — спутник Земли. Средний радиус — 1737 км. Радиус орбиты — 384 тыс. км. Пятый по размеру спутник в Солнечной системе.
Ио — спутник Юпитера. Средний радиус — 1821 км. Открыт Галилео Галилеем в 1610 году, примечателен активными серными вулканами.
Европа — спутник Юпитера. Средний радиус — 1561 км. Открыт Галилео Галилеем в 1610 году. Обладает гладкой ледяной поверх-ностью, под которой располагается водный океан.
Ганимед — спутник Юпитера. Средний радиус — 2634 км. Открыт Галилео Галилеем в 1610 году. Крупнейший спутник Солнечной системы.
Каллисто — спутник Юпитера. Средний радиус — 2410 км. Открыт Галилео Галилеем в 1610 году.
Титан — крупнейший спутник Сатурна и второй по размерам спутник Солнечной системы. Средний радиус — 2576 км. Обладает плотной атмосферой и жидким океаном на поверхности. Открыт Христианом Гюйгенсом в 1655 году.
Харон — крупнейший спутник Плутона. Средний радиус — 1212 км. Открыт в 1978 году американским астрономом Джеймсом Кристи.
Ида (243) — астероид номер 243. Средний радиус — 16 км. Открыт в 1884 году австрийским астрономом Иоганном Пализой. В 1993 году межпланетный аппарат «Галилео» сфотографировал Иду вблизи и обнаружил спутник Дактиль радиусом 700 м.
Сильвия (87) — астероид номер 87. Размеры: 384×262×232 км. Открыт в 1866 году английским астрономом Норманом Погсоном.
В 2001 и 2004 годах были обнаружены два спутника Сильвии — Ромул (диметр — 18 км) и Рем (диаметр — 7 км).
Джеймс Джинс (1877—1946) — британский астрофизик. Выдвинул теорию происхождения планет из сгустка солнечной материи, вырванной проходящей на близком расстоянии другой звездой.
Отто Юльевич Шмидт (1891—1956) — советский географ и астроном. Разработал теорию происхождения планет из диска мелких частиц и астероидов.
Виктор Сергеевич Сафронов (1917—1999) — советский и российский астроном. Разработал детальную теорию происхождения планет Солнечной системы.
Евгения Леонидовна Рускол (род. 1927) — советский и российский астроном, главный разработчик аккреционной теории происхождения Луны.
Комментарии к статье
* Согласно гипотезе захвата, Земля и Луна образовались независимо друг от друга в разных частях Солнечной системы.
Когда Луна проходила близко к земной орбите, её захватило гравитационное поле нашей планеты, и Луна стала спутником Земли.
** Гипотеза центробежного разделения подразумевает, что на ранней стадии формирования от быстро вращающейся Земли под действием центробежных сил отделился огромный осколок, из которого через относительно короткое время образовалась Луна.
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.
Несколько теорий
«Раньше существовало несколько теорий о том, как была создана Луна, и одной из целей программы «Аполлон» было выяснить, как у нас появилась Луна, — говорит Сара.
До начала исследований миссии «Аполлон» существовало три теории о том, как образовалась Луна.
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. Напротив, теория аккреции предполагала, что Луна была создана вместе с Землей при ее формировании. Наконец, согласно сценарию деления, Земля вращалась так быстро, что часть материала оторвалась и начала вращаться вокруг планеты.
Сегодня наиболее широко распространена теория гигантского удара. Предполагается, что Луна образовалась во время столкновения Земли с другой небольшой планетой размером с Марс. Обломки от этого удара собрались на орбите вокруг Земли, чтобы сформировать Луну.
Лунный метеорит Дар аль-Гани 400
Свидетельства миссии «Аполлон»
Миссии «Аполлон» доставили с Луны более трети тонны камня и почвы.
«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.
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.’
Величайший побочный продукт Земли
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.
Во время этого массивного столкновения почти вся Земля и Тейя расплавились и преобразовались в одно тело, а 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.
‘
Лунный пейзаж с изображением кратера Антониади вблизи южного полюса Луны
Лунные пейзажи
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?
Аналогичный 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».
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
Как образовалась Луна?
(Изображение предоставлено: Getty Images)
Луна образовалась через сто миллионов лет после создания Солнечной системы. Это заставило ученых задуматься о том, что послужило причиной рождения спутника нашей планеты, если это не произошло в результате событий, связанных с формированием планет. Вот лишь три наиболее правдоподобных объяснения.
Гипотеза гигантского столкновения
Преобладающая теория, поддерживаемая научным сообществом, предполагает, что Луна образовалась, когда объект врезался в раннюю Землю. Как и другие планеты, Земля образовалась из оставшегося облака пыли и газа, вращающегося вокруг молодого Солнца. Ранняя солнечная система была жестоким местом, и было создано несколько тел, которые так и не достигли полного планетарного статуса.
Один из них мог врезаться в Землю вскоре после создания молодой планеты.
Известное как Тейя, тело размером с Марс столкнулось с Землей, выбросив в космос испарившиеся куски коры молодой планеты. Гравитация связала выброшенные частицы вместе, создав луну, которая является самой большой в Солнечной системе по отношению к планете-хозяину. Такое образование могло бы объяснить, почему Луна состоит преимущественно из более легких элементов, что делает ее менее плотной, чем Земля — материал, из которого она образовалась, пришел из коры, оставив нетронутым каменистое ядро планеты. По мере того как материал собирался вместе вокруг того, что осталось от ядра Тейи, его центр должен был располагаться вблизи плоскости эклиптики Земли, пути, по которому солнце движется по небу, где сегодня вращается Луна.
Иллюстрация потенциального удара, создавшего Луну. (Изображение предоставлено Getty Images)
По данным НАСА, «когда столкнулись молодая Земля и это тело-изгой, энергия была в 100 миллионов раз больше, чем гораздо более позднее событие, которое, как считается, уничтожило динозавров».
Хотя это самая популярная теория, она не лишена недостатков. Большинство моделей предполагают, что более 60% Луны должно состоять из материала Тейи. Но образцы горных пород из миссий «Аполлон» говорят об обратном.
«С точки зрения состава Земля и Луна почти близнецы, их составы отличаются не более чем на несколько миллионных долей», — сказала Space.com Алессандра Мастробуоно-Баттисти, астрофизик из Израильского технологического института в Хайфе. «Это противоречие бросило тень на модель гигантского удара».
В 2020 году исследование, опубликованное в Nature Geoscience , предложило объяснение того, почему Луна и Земля имеют такой похожий состав. Изучив изотопы кислорода в лунных породах, доставленных на Землю астронавтами Аполлона, исследователи обнаружили небольшую разницу по сравнению с земными породами. Образцы, собранные из глубокой лунной мантии (слоя под корой), были намного тяжелее, чем те, что были найдены на Земле, и «имеют изотопный состав, который наиболее характерен для протолунного импактора Тейя», — пишут авторы исследования.
Еще в 2017 году израильские исследователи предложили альтернативную теорию удара , согласно которой на Землю выпал дождь из мелких обломков, что привело к созданию Луны.
«Сценарий множественных столкновений — более естественный способ объяснить формирование Луны», — сказал Space.com Ралука Руфу, исследователь из Института науки Вейцмана в Израиле и ведущий автор исследования. «На ранних стадиях Солнечной системы удары были очень многочисленны, поэтому более естественно, что Луну образовали несколько общих ударников, а не один особый.
Теория совместного образования
Луны также могут формироваться одновременно с их родительской планетой. Согласно такому объяснению, гравитация заставляла материал в ранней Солнечной системе сближаться в то же время, когда гравитация связывала частицы вместе, чтобы сформировать Землю. Такая луна имела бы состав, очень похожий на планету, и могла бы объяснить нынешнее положение луны. Однако, хотя Земля и Луна во многом состоят из одного и того же материала, Луна гораздо менее плотная, чем наша планета, что, вероятно, было бы не так, если бы обе они начинались с одних и тех же тяжелых элементов в своем ядре.
Ссылки по теме
В 2012 году исследователь Робин Кануп из Юго-западного научно-исследовательского института в Техасе предположил, что Земля и Луна образовались одновременно, когда два массивных объекта в пять раз больше Марса столкнулись друг с другом.
«После столкновения два тела одинакового размера снова столкнулись, сформировав раннюю Землю, окруженную диском материала, который объединился, чтобы сформировать Луну», — сказали в НАСА. «Повторное столкновение и последующее слияние оставили два тела с похожим химическим составом, наблюдаемым сегодня».0004
Теория захвата
Возможно, гравитация Земли зацепила пролетающее тело, как это произошло с другими спутниками Солнечной системы, такими как марсианские спутники Фобос и Деймос . Согласно теории захвата, каменистое тело, образовавшееся в другом месте Солнечной системы, могло быть выведено на орбиту вокруг Земли. Теория захвата объяснила бы различия в составе Земли и ее Луны. Однако такие орбитальные аппараты часто имеют странную форму, а не сферические тела, такие как Луна.
Их пути, как правило, не совпадают с эклиптикой их родительской планеты, в отличие от Луны.
Хотя теория совместного образования и теория захвата объясняют некоторые аспекты существования Луны, многие вопросы остаются без ответа. В настоящее время гипотеза гигантского удара, кажется, охватывает многие из этих вопросов, что делает ее лучшей моделью, соответствующей научным доказательствам того, как была создана Луна.
Дополнительные ресурсы
Чтобы узнать больше о гипотезе гигантского столкновения, прочитайте книгу Даны Маккензи «Большой сплат, или как возникла наша Луна: жестокая естественная история». «Наша Солнечная система: исследование планет, лун, астероидов и других тайн космоса (откроется в новой вкладке)», Лиза Рейчли.
Библиография
Эрик Дж. Кано и др., «Различные изотопные составы кислорода Земли и Луны», Nature Geoscience, том 13, март 2020 г., https://doi.org/10.1038/s41561-020-0550-0 (открывается в новой вкладке)
Ралука Руфу, «Множественное происхождение Луны», Nature Geoscience, том 10, январь 2017 г.
, https://doi.org/10.1038/ngeo2866 (открывается в новой вкладке)
Эдвард Бельбруно и др., «Откуда взялась Луна? (открывается в новой вкладке)», The Astronomical Journal, Volume 129, март 2005 г.
Томас С. Круиджер и Грегори Арчер, «Нет 182W доказательств раннего формирования Луны», Nature Geoscience, том 14, октябрь 2021 г., https://doi.org/ (открывается в новой вкладке) 10.1038/s41561 -021-00820-2 (открывается в новой вкладке)
Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: [email protected].
Нола Тейлор Тиллман — автор статей для Space.com. Она любит все, что связано с космосом и астрономией, и наслаждается возможностью узнать больше. Она имеет степень бакалавра английского языка и астрофизики в колледже Агнес Скотт и проходила стажировку в журнале Sky & Telescope. В свободное время она обучает своих четверых детей дома.