Луна могла сформироваться почти сразу после гигантского столкновения Земли с Тейей

Луна могла появиться совсем не так, как долгое время предполагали модели её происхождения. Новое компьютерное моделирование гигантского столкновения ранней Земли с планетарным телом размером примерно с Марс показывает, что результат такой катастрофы сильно зависел не только от массы, скорости и угла удара, но и от температуры сталкивающихся тел и их способности сопротивляться разрушению.

В одних вариантах расчётов столкновение полностью разрушало тело, столкнувшееся с Землёй, и создавало вокруг нашей планеты огромный диск из расплавленного и фрагментированного материала. Из этого диска спутник постепенно собирался уже после столкновения. Но в других сценариях часть ударившегося тела сохранялась как крупный связный объект. В отдельных расчётах практически целая Луна формировалась всего примерно за пять часов после столкновения.

Речь не идёт о доказательстве того, что именно так появилась настоящая Луна. Исследование показывает другое: прежняя картина гигантского столкновения могла быть неполной, поскольку в ней недостаточно учитывалось механическое сопротивление пород и зависимость их прочности от температуры. Новые результаты расширяют число возможных сценариев формирования Луны и дают дополнительный способ исследовать время, когда произошло это древнее событие.

Как возникла основная гипотеза происхождения Луны

Происхождение Луны остаётся одной из фундаментальных задач планетологии. Её состав во многом похож на состав Земли, однако спутник имеет собственные особенности, которые необходимо объяснить одновременно с его орбитой и внутренним строением.

Одним из наиболее разработанных объяснений является гипотеза гигантского столкновения. Согласно этому сценарию, молодая Земля столкнулась с другим крупным планетарным телом. В дальнейшем этот объект получил условное название Тейя.

Столкновение должно было произойти на раннем этапе формирования Солнечной системы, когда планеты ещё находились в процессе роста и сталкивались друг с другом значительно чаще, чем сегодня. При ударе огромная энергия перешла в тепло и движение вещества. Часть материала Земли и Тейи могла быть выброшена на околоземную орбиту, после чего из него сформировался спутник.

Такая картина хорошо объясняет саму возможность образования крупного спутника после планетарного столкновения, однако конкретный механизм формирования Луны остаётся предметом исследований. Особенно сложным вопросом является то, насколько быстро после удара мог возникнуть спутник и в каком состоянии он находился в первые часы и дни.

Классическая картина предполагает диск обломков

Во многих ранних моделях гигантского столкновения основная масса Луны формировалась не непосредственно во время удара. Столкновение создавало вокруг Земли диск вещества, а затем материал этого диска постепенно объединялся под действием собственной гравитации.

Такой процесс существенно отличается от сценария, при котором после столкновения сразу сохраняется крупный связный объект. В первом случае Луна является результатом последующего объединения множества фрагментов, во втором — значительная часть будущего спутника уже существовала в виде крупного тела непосредственно после катастрофы.

Именно это различие стало центральным вопросом нового моделирования.

Почему прежние модели не учитывали прочность планетарных пород

Гигантское столкновение — чрезвычайно энергичный процесс. Поэтому в ранних моделях считалось разумным представить сталкивающиеся планетарные тела преимущественно как текучие или гидродинамические среды.

При таком подходе их механическая прочность практически не влияет на конечный результат: энергия удара настолько велика, что вещество должно вести себя скорее как жидкость, чем как обычная горная порода.

Этот подход был полезен для решения основной задачи — изучения движения огромных масс вещества во время столкновения. Но он одновременно упрощал реальную физику молодых планет.

Каменные тела не являются идеальными жидкостями. Породы способны выдерживать определённые напряжения, разрушаться по трещинам и сохранять крупные фрагменты даже во время очень сильных ударов. Причём их прочность зависит от температуры: нагретый материал обычно слабее холодного.

Новое исследование впервые для такого типа моделирования систематически включило температурно-зависимую геологическую прочность сталкивающихся тел. Именно это изменение оказалось способно существенно повлиять на результат.

Температура оказалась одним из ключевых параметров

Молодые планетарные тела в начале своей истории были значительно горячее современных планет. Со временем они остывали. Следовательно, если гигантское столкновение произошло в разное время относительно формирования Земли и Тейи, исходные температуры тел могли заметно различаться.

В новых расчётах более горячие тела оказывались механически слабее, тогда как более холодные сохраняли большую способность сопротивляться разрушению.

Это привело к важному результату: одинаковое столкновение по массе, скорости и геометрии могло давать разные последствия в зависимости от температурного состояния Земли и Тейи перед ударом.

Таким образом, температура в данном случае влияет не только на то, насколько горячим окажется вещество после столкновения. Она может определять сам характер разрушения планетарных тел и то, каким образом из их материала возникает будущий спутник.

Два разных сценария формирования Луны

Компьютерные эксперименты показали, что при учёте прочности возможны принципиально разные результаты.

В одном случае столкновение достаточно сильно разрушает Тейю. Материал распределяется вокруг Земли в виде большого диска из обломков и расплавленного вещества. В дальнейшем этот материал постепенно объединяется под действием гравитации, формируя Луну.

В другом случае более холодные и прочные части сталкивающихся тел способны сохранить свою целостность. Тогда после столкновения крупный фрагмент может остаться связанным в единую структуру и оказаться на орбите вокруг Земли.

Таким образом, вопрос заключается не только в том, сколько вещества было выброшено на орбиту. Не менее важно, в каком физическом состоянии оно оказалось после удара.

Когда Луна собирается из диска

Если гигантское столкновение создаёт протолунный диск, дальнейшее формирование спутника происходит уже после самого удара.

Материал диска находится на околоземной орбите и постепенно взаимодействует с другими фрагментами. Гравитация способствует их объединению, а столкновения и перераспределение энергии изменяют структуру диска.

В таком сценарии Луна не появляется в окончательном виде сразу. Её формирование является продолжением процесса столкновения и занимает дополнительное время.

Это была одна из основных картин, полученных в предыдущих моделях гигантского удара.

Когда крупный объект сохраняется целиком

При других начальных условиях результат оказывается совершенно иным. Вместо полного разрушения Тейи крупная часть тела может сохранить связность.

В новых расчётах исследователи получили случаи, когда практически целая Луна возникала примерно через пять часов после столкновения.

Особенно примечательно, что такой результат был получен при воспроизведении параметров, использовавшихся в первоначальных моделях гигантского столкновения, включая одинаковое температурное распределение внутри Земли и Тейи. При включении механической прочности это же условие привело к формированию крупного связного спутника.

Почему пять часов не означают, что Луна полностью закончила эволюцию

Фраза о формировании Луны за пять часов может создать неправильное впечатление, будто через пять часов после удара существовала современная Луна со всеми её нынешними свойствами.

Это не следует из моделирования.

Речь идёт о появлении крупного связного тела, которое по своим размерам и массе может соответствовать Луне в рамках рассматриваемого сценария. Его последующая орбитальная и геологическая эволюция могла продолжаться значительно дольше.

Даже если спутник возник непосредственно после столкновения, это не означает, что его поверхность, внутренняя структура, температура и содержание летучих веществ сразу стали такими же, как сегодня.

Поэтому корректнее говорить, что некоторые сценарии позволяют сформировать первоначальную Луну как цельный крупный объект уже в течение нескольких часов после гигантского удара.

От чего зависит результат столкновения

Новые расчёты показали, что принципиальное значение имеет совокупность физических параметров сталкивающихся тел.

Их температура определяет прочность пород. Более холодное тело способно сопротивляться разрушению лучше горячего. В свою очередь, прочность влияет на то, будет ли объект полностью раздроблен или сохранит крупный фрагмент.

Но температура — не единственная характеристика. На результат также влияют геометрия столкновения, масса тел, скорость удара и их внутреннее строение.

Поэтому нельзя свести новый результат к утверждению «холодная Земля создаёт Луну за пять часов». Исследование показывает существование определённого класса условий, при которых такой сценарий становится возможным.

Молодые планеты были не одинаковыми

Особенно важно учитывать, что Земля и Тейя могли иметь разную историю формирования и нагрева.

Если одно тело было значительно горячее другого, их механическое поведение во время столкновения могло отличаться. Поэтому две планеты одинакового размера и с одинаковыми внешними параметрами не обязательно должны одинаково реагировать на удар.

В новых моделях именно распределение температуры внутри планетарных тел стало важной частью начальных условий. Это позволило изучить не просто столкновение двух абстрактных масс, а столкновение тел с определёнными геологическими свойствами.

Такой подход делает моделирование ближе к физике реальных планет, хотя, как и любая компьютерная модель, оно всё равно требует ряда допущений.

Новые результаты могут помочь определить время рождения Луны

У возраста Луны есть хорошо изученные оценки, однако определить точный момент гигантского столкновения по-прежнему сложно. Одной из причин является то, что последствия такого события зависят от множества параметров.

Новое моделирование предлагает дополнительную связь между временем столкновения и состоянием планет перед ним.

Протопланеты в процессе формирования обычно постепенно остывают. Поэтому более раннее столкновение могло происходить при иных температурных условиях, чем более позднее. Если удастся установить, какой именно тип исходного состояния соответствует наблюдаемым сегодня свойствам Луны, это потенциально позволит сузить диапазон времени, когда произошло столкновение.

Это пока не готовый способ установить дату события. Для такого вывода необходимо сопоставить результаты моделирования с большим количеством наблюдаемых характеристик Луны и Земли. Но сама зависимость между тепловым состоянием планет и механизмом формирования спутника становится новым элементом такой реконструкции.

Летучие вещества могут дать дополнительную подсказку

Особый интерес представляет содержание Луны летучими веществами.

Если спутник формируется из чрезвычайно горячего диска после мощного столкновения, условия для сохранения некоторых летучих компонентов отличаются от ситуации, когда крупный фрагмент планетарного тела сохраняется более целым.

Поэтому физические свойства Луны сегодня, включая особенности её содержания летучих веществ, потенциально могут сохранять информацию о состоянии Земли и Тейи во время столкновения.

Исследователи подчёркивают именно возможность такой связи, а не её окончательное установление. Современные свойства Луны сами по себе ещё не позволяют однозначно выбрать один из рассмотренных сценариев.

Новая модель не отменяет гипотезу гигантского столкновения

Важно понимать, что исследование не опровергает основную идею гигантского столкновения.

Напротив, моделирование сохраняет её в качестве исходного сценария и уточняет, какие процессы могли происходить непосредственно во время и сразу после удара.

Изменяется прежде всего представление о том, что обязательно должно произойти с веществом Тейи. Ранее основной акцент делался на разрушении планетарного тела и последующем формировании диска. Новые расчёты показывают, что при учёте прочности и температуры разрушение может быть существенно менее полным.

Следовательно, возможны как минимум два класса исходов: постепенное формирование спутника из протолунного диска или появление крупного связного тела непосредственно после столкновения.

Целостная Луна уже появлялась в предыдущих моделях

Само по себе появление крупного «целого» спутника не является совершенно новым результатом.

Подобные исходы встречались и в более ранних моделях гигантских столкновений. Новизна нынешней работы заключается в другом: исследователи показали, что температурно-зависимая механическая прочность тел может играть центральную роль в выборе между различными сценариями.

Иными словами, новое исследование не впервые обнаружило математическую возможность существования целой Луны после удара. Оно показало, что геологические свойства сталкивающихся тел могут систематически определять, будет ли спутник собран из диска или сохранится как крупный фрагмент.

Что известно о Тейе и составе Земли и Луны

Гипотетическое тело Тейя было введено для объяснения происхождения системы Земля — Луна. При этом у современной науки нет прямого образца, который можно было бы однозначно идентифицировать как остаток Тейи.

Одна из главных проблем гипотезы гигантского столкновения заключается в необычайно близком химическом сходстве Земли и Луны. Если значительная часть Луны происходит от другого планетарного тела, возникает вопрос, почему химические и изотопные характеристики двух объектов настолько похожи.

Новое моделирование эту проблему не решает.

Возможным объяснением считается то, что Земля и Тейя могли сформироваться в близкой области протопланетного диска и поэтому изначально обладали сходным составом. Для сравнения, Марс химически отличается от Земли и Луны, что согласуется с возможностью его формирования в другой части молодой Солнечной системы.

Однако это остаётся одной из открытых проблем планетологии, а не установленным описанием происхождения Тейи.

Почему геология важна даже при столкновении планет

Новое исследование демонстрирует более общий принцип планетарной науки: при моделировании крупных столкновений нельзя всегда считать планеты бесструктурными массами вещества.

Планета имеет внутреннее строение, температурный профиль и материалы с различными физическими свойствами. В зависимости от состояния этих материалов один и тот же тип удара может приводить к разным результатам.

Особенно важным оказался переход от упрощённой гидродинамической картины к модели, в которой учитывается способность вещества сопротивляться деформации и разрушению.

Это принципиально меняет вопрос, который задают исследователи. Раньше основной задачей было определить, сколько материала столкновение выбрасывает на орбиту. Теперь необходимо дополнительно выяснять, какая часть этого материала остаётся связной и каким образом сохраняется крупная структура.

Как моделировали столкновение

Для исследования использовались современные вычислительные методы моделирования гигантских столкновений. Работа опирается на методы, разработанные с участием специалистов Университета Берна и Университета Аризоны.

В расчётах учитывалась температурно-зависимая геологическая прочность двух сталкивающихся планетарных тел. Исследователи затем сравнивали результаты при различных начальных температурных структурах.

Это позволило увидеть, что изменение одного физического свойства — способности вещества сохранять прочность при определённой температуре — может привести к качественно разным конфигурациям после удара.

В частности, при некоторых условиях вокруг Земли образовывался массивный протолунный диск, тогда как в других расчётах формировался крупный связный объект, соответствующий ранней Луне.

Почему компьютерное моделирование необходимо

Гигантское столкновение Земли с планетарным телом невозможно изучить экспериментально напрямую. Событие произошло миллиарды лет назад и было настолько масштабным, что ни один лабораторный эксперимент не способен воспроизвести его целиком.

Компьютерные модели позволяют задавать различные начальные условия и отслеживать движение огромного количества вещества в течение времени после столкновения.

Однако модель не является прямым наблюдением прошлого. Она показывает, какие последствия следуют из определённых исходных условий в рамках выбранных физических законов и допущений.

Поэтому несколько возможных результатов моделирования не означают, что все они произошли в действительности. Чтобы выбрать между ними, необходимо сравнивать их последствия с реальными свойствами Земли и Луны.

Самое важное следствие: у рождения Луны могло быть несколько путей

Главный результат нового исследования заключается в том, что формирование Луны после гигантского столкновения нельзя описывать единственной обязательной последовательностью событий.

Если сталкивающиеся тела были достаточно горячими и слабыми, удар мог привести к их сильному разрушению и образованию диска. В таком случае спутник формировался постепенно из материала, оказавшегося на околоземной орбите.

Если же условия позволяли сохранить механическую прочность крупных частей Тейи, результат мог оказаться совершенно другим. Крупный фрагмент мог пережить столкновение и стать основой спутника практически сразу после катастрофы.

В одном из таких сценариев связная Луна появлялась примерно через пять часов после удара.

Это делает температуру и механическую прочность не второстепенными деталями, а параметрами, способными определить сам способ формирования спутника.

Что новое исследование пока не решает

Несмотря на необычный результат, работа не отвечает на все вопросы о происхождении Луны.

Она не устанавливает точную дату гигантского столкновения. Не доказывает, что Тейя действительно существовала именно в описанном виде. Не показывает, что настоящая Луна сформировалась как полностью сохранившийся фрагмент Тейи.

Кроме того, остаётся открытым вопрос о близком химическом и изотопном сходстве Земли и Луны. Для окончательного понимания происхождения спутника необходимо одновременно объяснить его состав, внутреннее строение, орбитальные свойства и историю последующей геологической эволюции.

Новые расчёты добавляют к этой задаче ещё один важный параметр — физическое состояние планет непосредственно перед столкновением.

Луна могла появиться быстро, но её история продолжалась миллиарды лет

Даже если сценарий быстрого формирования окажется ближе к реальности, это означает только то, что основная масса спутника могла оказаться в виде крупного тела вскоре после гигантского удара.

После этого Луна продолжала бы развиваться. Её поверхность испытывала воздействие ударов астероидов и других тел, происходили изменения коры и недр, менялась тепловая структура спутника. Эти процессы продолжались значительно дольше нескольких часов и в той или иной форме определяли Луну на протяжении миллиардов лет.

Поэтому пять часов в новом исследовании следует воспринимать как время формирования первоначального крупного спутника в определённом сценарии, а не как продолжительность всего процесса превращения молодой Луны в тот объект, который наблюдается сегодня.

Новые результаты в итоге не дают окончательного ответа на вопрос о происхождении нашего спутника, но существенно расширяют представление о том, что могло произойти в первые часы после крупнейшей катастрофы в истории ранней Земли. Гигантское столкновение по-прежнему остаётся центральной частью рассматриваемой картины, однако теперь становится очевидно, что его последствия определялись не только колоссальной энергией удара. Температура, внутреннее строение и механическая прочность Земли и Тейи могли сыграть решающую роль в том, появилась ли Луна из огромного диска обломков или уже вскоре после столкновения существовала как крупное связное тело.

Источники:
Статья создана по материалам Phys.Org