Ученые предложили новые гипотезы возникновения Луны

Сразу несколько групп астрономов в очередной раз подтвердили самую известную на настоящий момент гипотезу возникновения Луны - ударную. Впрочем, история с этой гипотезой далека от завершения - в работах использовались настолько разные схемы столкновения, что свести их в одну теорию скорее всего не получится. А стало быть, спор о происхождении земного спутника все еще не закончен.

В начале XXI века у астрофизиков было множество гипотез относительно того, как появилась Луна. Так, одни ученые полагали, что естественный спутник Земли "отлепился" от нашей планеты во время ее формирования. По другой, Луна была захвачена гравитационным полем нашей планеты, когда пролетала мимо (считается, что именно так у Марса появились Фобос и Деймос). Наконец, третьи утверждали, что Луна - это полноценное небесное тело, сформировавшееся вместе с Землей из протопланетного диска вокруг тогда еще относительно молодого Солнца 4,5 миллиарда лет назад (так спутниками обзавелись, например, газовые гиганты). Время происхождения земного спутника ученым уже было известно благодаря целому спектру различных методов - от радиоизотопного анализа доставленных на Землю образцов лунного грунта до подсчета кратеров. В рамках последнего, грубо говоря, считается количество воронок и делится на среднее количество метеоритных осадков в году, полученное с помощью другой методики.


Против каждой из этих гипотез были серьезные возражения. Например, для того чтобы Луна под воздействием центробежных сил самостоятельно отцепилась от комка раскаленной материи, который представляла собой Земля на раннем этапе развития, у нашей планеты должна была быть огромная угловая скорость. Если говорить о гравитационном захвате, то захваченное тело, чтобы остаться на земной орбите, должно было каким-то образом растерять энергию. Единственный вариант - взаимодействие с атмосферой, что, конечно, потребовало бы от Луны слишком близкого прохождения рядом с Землей. Наконец, версия о совместном формировании не подходила из-за дефицита, например, железа в лунном грунте. При этом все три гипотезы не могли объяснить большой момент импульса системы Луна-Земля.

В 2000 году швейцарец Алекс Халлидей опубликовал в журнале Earth and Planetary Science Letters статью, в которой предложил обоснование гипотезы, считавшейся на тот момент не слишком научной и даже немного фантастической. Он заявил, что Луна сформировалась в результате столкновения Земли с небесным телом под названием Тейя. Такое имя было выбрано в честь матери богини Луны Селены в греческой мифологии.

От удара часть земной массы была выбита на орбиту, где спустя некоторое время остыла - растеряв по ходу этого процесса некоторые металлы (помимо железа еще и натрий, калий, цинк и свинец) - и сформировала Луну. Среди прочего эта теория блестяще объясняла упомянутое выше большое значение углового момента Земля-Луна. С этой статьи принято вести отсчет стремительного роста популярности ударной гипотезы. Забегая вперед, можно сказать, что на настоящий момент она является если не самой главной, то, по крайней мере, самой популярной в научной среде.

Спустя буквально год уже в Nature появилась статья, которая сформулировала основной критический тезис в адрес теории о столкновении. В ней излагались результаты компьютерного моделирования, согласно которым Луна должна была состоять преимущественно из материала, принесенного Тейей. Это означало, что, несмотря на объяснение проблемы момента и дефицита одних изотопов в коре Луны, ударная гипотеза не могла объяснить сходства с земной корой по другим изотопам. Решению этой проблемы было посвящено огромное количество работ, вышедших за последние 11 лет. Упомянем лишь две самые свежие и нашумевшие (то есть, привлекшие внимание профильных СМИ).

Во-первых, в августе 2011 года в Nature вышла статья, в которой ученые предложили гипотезу под названием "большой шлепок". Суть работы сводилась к тому, что после столкновения Земли с Тейей образовалась не одна, а две луны. Все это происходило на относительно невысоких угловых скоростях (отсюда и "шлепок" вместо "удара" в названии). После две Луны слиплись в одну и образовался привычный нам земной спутник. Этот сценарий позволил объяснить многие особенности строения Луны, включая особенности состава - в частности, поскольку подобный сценарий способствовал, грубо говоря, лучшему перемешиванию

Во-вторых, в июле 2012 года в Icarus появилась статья (препринт), в рамках которой предлагалось следующее решение проблемы состава. Ученые предположили, что Тейя после удара не "влилась" в Землю, а, выбив кусок, улетела восвояси. Это, среди прочего, снимает ограничения на первоначальный угловой момент системы Земля-Луна в компьютерной модели - часть момента мать Селены просто унесла с собой. По словам ученых, ранее такой сценарий не рассматривался из-за недостатка вычислительных мощностей, но новые компьютеры сделали его изучение реальностью. В работе, например, одна только Луна моделировалась 10 тысячами отдельных частиц - детализация модели превосходила все, что было сделано до этого.


Выяснилось, что отказ от такого ограничения имеет самые существенные последствия для модели. Так, оказалось, что Луна при этом сценарии не только формируется, но и многие ее физические и изотопные параметры оказываются близки к наблюдаемым. Более того, модель не требовала тонкой подгонки начальных условий, что также может служить, пусть и неформальным, но аргументом в пользу близости модели к реальности. Главный, впрочем, вопрос, который не сняла эта работа, таков: что стало с Тейей? Ученые планируют продолжить работу в этом направлении и, возможно, вычислить местоположение остатков этого небесного тела. Если их существование удастся подтвердить экспериментально, то это станет весомым аргументом в пользу такой гипотезы.

Что касается новых работ, то все они посвящены уточнению сценария возникновения Луны в результате столкновения с Тейей. Первая работа, которая опубликована в Nature, посвящена изучению изотопного состава Луны по образцам, доставленным на Землю в рамках программы "Аполлон". Ученые под руководством американца Джеймса Дэя из Калифорнии провели самый точный на сегодняшний момент анализ содержания цинка в лунной коре. Этот анализ, по словам самого Дэя, которые приводит ресурс io9.com, дал просто замечательные результаты. "Как планета или, в данном случае, небесное тело, могло избавиться от всех летучих веществ? Конечно же только при помощи некоторого глобального расплава поверхности, который и дал достаточно тепла для испарения, например, цинка. Это очень серьезный аргумент в пользу катастрофического происхождения Луны," - заявил Дэй ресурсу.

В другой работе, опубликованной в журнале Science, развивается теория так называемого гигантского удара. Согласно этой гипотезе, в столкновении участвовали не одно большое (Земля) и одно маленькое (Тейя размером с Марс) небесные тела, а две примерно одинаковые почти-планеты, каждая массой около половины земной. Моделирование, проведенное Робин Кэнап из Колорадо, показало, что в этом случае оба тела разрушатся, но достаточно быстро соберутся в одно большое. При этом вокруг новообразовавшейся планеты останется облако обломков, из которых позже вполне может сформироваться Луна. "Даже если оба тела изначально имели разный состав - а так, скорее всего, и было - то в результате такого сценария они хорошо перемешиваются. В результате и само тело и диск вокруг него имеют примерно одинаковый состав."

Наконец, третья работа, также опубликованная в Science, в некотором смысле противоположна предыдущей. В рамках этой работы ученые из Гарварда Матья Чук и Сара Стюарт рассматривали очень маленькую Тейю - меньше, чем в традиционных моделях. При этом скорость столкновения была много выше, равно как и скорость вращения самой Земли. Как и в предыдущей работе, столкновение приводит к формированию диска, из которого позже образуется Луна.

Что делает новые работы заслуживающими внимания? Обе статьи Science основаны на недавних результатах моделирования динамики вращения Земли. В частности, Чук и Стюарт обнаружили явление, которое они назвали "эвекционный резонанс" (evection resonance). Суть эффекта сводится к тому, что после столкновения Земля могла снизить скорость в несколько раз больше, чем считалось до сих пор. Как следствие, Кэнап, Чук и Стюарт моделировали столкновение при очень высокой первоначальной (то есть до столкновения) скорости вращения Земли - в 2 - 2,5 раза больше, чем в прежних моделях. Скорости столкновения тел также были выше.

Таким образом, новые модели можно рассматривать как первые попытки применить новые данные о динамике вращения Земли к изучению процесса возникновения Луны. Это шаг вперед, поскольку новые данные делают возможными ранее невозможные столкновения. Скорее всего в ближайшие годы последует целый шквал работ, которые подтвердят результаты одних, опровергнут выводы других. Или, быть может, будут предложены совершенно новые сценарии возникновения Луны. И все в рамках гипотезы о столкновении. В общем, будет интересно.