Луна сопровождает Землю на протяжении почти всей истории нашей планеты, однако детали её происхождения до сих пор остаются предметом научных исследований. Наиболее распространённая теория связывает появление естественного спутника Земли с гигантским столкновением, произошедшим около 4,5 миллиарда лет назад. Согласно новым компьютерным моделям, некоторые варианты этого события допускают чрезвычайно быстрое формирование Луны — всего примерно за пять часов после удара.
Такой сценарий существенно отличается от традиционного представления, согласно которому вокруг молодой Земли сначала существовал диск из обломков, а будущая Луна постепенно собиралась из этого вещества в течение значительно более длительного времени. Новые расчёты показывают, что скорость формирования спутника могла зависеть от важного фактора, который раньше учитывался недостаточно подробно: температуры и прочности вещества столкнувшихся протопланет.
Гигантское столкновение в ранней истории Земли
Основой современной гипотезы происхождения Луны является идея гигантского удара. Согласно этому сценарию, молодая Земля столкнулась с крупным протопланетным телом, размеры которого могли быть сопоставимы с Марсом. Это тело принято называть Тейей.
Столкновение произошло в эпоху, когда Солнечная система ещё находилась на ранней стадии развития. Планеты только завершали или продолжали процесс формирования, а их внутренние области сохраняли большое количество тепла, полученного во время аккреции — постепенного объединения многочисленных более мелких тел.
Удар между Землёй и Тейей стал событием планетарного масштаба. Огромное количество вещества было перераспределено, часть материала оказалась вокруг Земли, а металлические компоненты столкнувшихся тел начали перемещаться вглубь молодой планеты. Из вещества, оказавшегося на околоземной орбите, в дальнейшем могла сформироваться Луна.
Однако сам факт гигантского столкновения ещё не отвечает на все вопросы. Учёным необходимо определить, когда именно произошёл удар, в каком состоянии находились Земля и Тейя и каким образом вещество после столкновения превратилось в современный естественный спутник.
Температура Тейи могла изменить ход столкновения
Новые модели уделяют особое внимание физическим свойствам протопланет непосредственно перед столкновением. Одним из важнейших параметров оказалась температура их вещества.
Молодые планеты не были одинаково твёрдыми и холодными на протяжении всей своей ранней истории. После образования они сохраняли внутреннее тепло. Чем горячее становилось вещество, тем легче оно могло деформироваться под воздействием огромных сил.
Это имеет принципиальное значение при моделировании столкновения Земли и Тейи. Прочность вещества влияет на то, как тело разрушается, поглощает энергию удара и распределяет материал в окружающем пространстве.
Внешние слои Тейи могли иметь разную температуру в зависимости от времени столкновения. Если удар произошёл относительно рано после формирования планет, Тейя могла быть значительно горячее. Если же между образованием протопланеты и столкновением прошло больше времени, она успела бы сильнее остыть и стать более прочной.
Именно эта разница способна привести к совершенно различным последствиям.
Два возможных сценария рождения Луны
Компьютерное моделирование показывает, что состояние Тейи перед столкновением могло определять не только характер разрушения протопланеты, но и скорость формирования будущей Луны.
Более холодная и прочная Тейя
Если Тейя успела достаточно сильно остыть, столкновение могло произойти примерно через 100–150 миллионов лет после начала формирования планет. Более холодное вещество обладало большей прочностью и лучше сохраняло структуру во время удара.
В таком сценарии значительная часть материала Тейи могла пережить столкновение и объединиться с Землёй. Вокруг планеты при этом образовывался диск из обломков, из которого Луна могла собираться постепенно.
Такой вариант ближе к классическим моделям происхождения спутника. Сначала вокруг Земли формируется большое количество орбитального материала, затем частицы и более крупные фрагменты сталкиваются и объединяются, постепенно образуя единое крупное тело.
Горячая Тейя и стремительное формирование спутника
Совершенно иной результат получается в случае более горячей Тейи. Если столкновение произошло менее чем через 60 миллионов лет после начала формирования планет, протопланета могла сохранять значительно больше внутреннего тепла.
Более горячее вещество легче деформировалось и иначе реагировало на колоссальную энергию удара. При определённых условиях Тейя могла быть практически полностью разрушена, а огромное количество её материала выбрасывалось в пространство вокруг Земли.
Моделирование показало, что в одном из таких сценариев крупная Луна могла сформироваться примерно за пять часов.
Это не означает, что современная Луна в буквальном смысле мгновенно появилась в полностью завершённом виде. Речь идёт о чрезвычайно быстром объединении значительной части вещества после гигантского столкновения в единое крупное тело, которое стало основой будущего спутника Земли.
Почему пять часов меняют представления о происхождении Луны
Традиционная картина постепенного образования спутника предполагает существование околоземного диска обломков в течение достаточно длительного времени. В такой системе вещество постепенно объединяется под действием гравитации.
Сценарий быстрого формирования предполагает принципиально другую последовательность событий. Вместо длительного существования диска крупное тело могло возникнуть практически сразу после столкновения.
Это делает момент формирования Луны гораздо более тесно связанным с физическим состоянием Земли и Тейи непосредственно перед ударом. Температура внутренних и внешних слоёв протопланет становится не второстепенной деталью моделирования, а одним из факторов, способных определить дальнейшую судьбу выброшенного вещества.
Новые результаты также показывают, что происхождение Луны нельзя полностью описать только массой столкнувшихся тел, скоростью удара и его направлением. Свойства самого материала также оказываются важными.
Из чего могла сформироваться Луна
Один из наиболее интересных результатов моделирования связан с происхождением вещества современного спутника. В обоих рассмотренных сценариях значительная часть материала будущей Луны происходит из мантии Тейи.
При этом в её составе присутствует и некоторое количество вещества земной мантии.
Этот вывод важен из-за химического сходства Земли и Луны. На протяжении десятилетий оно оставалось одной из центральных проблем гипотезы гигантского столкновения. Если Луна в основном образовалась из материала другого протопланетного тела, почему её состав во многих отношениях настолько близок к земному?
Новые модели показывают, что значительная часть материала Луны действительно могла происходить от Тейи. Однако проблема полностью не исчезает. Существуют различия в содержании некоторых изотопов, которые современные сценарии пока не могут полностью объяснить.
Именно поэтому происхождение Луны остаётся активной областью исследований. Даже наиболее детальные компьютерные модели пока не дают окончательного ответа на все вопросы.
Современная Луна может хранить информацию о древней Земле
Физические свойства Луны могут содержать сведения о том, в каком состоянии находились Земля и Тейя в момент гигантского столкновения.
Особый интерес представляет содержание летучих веществ — компонентов, которые легче испаряются и могут покидать вещество при высоких температурах. Их современное распределение потенциально связано с тепловым состоянием системы во время формирования спутника.
Если учёные смогут точнее определить, как свойства Луны связаны с условиями её рождения, это позволит сузить возможный временной диапазон гигантского столкновения.
Таким образом, изучение современного спутника Земли помогает реконструировать события, произошедшие миллиарды лет назад. Химический состав лунных пород, распределение различных элементов и изотопов становятся своеобразными следами древней катастрофы.
Когда Земля получила свою Луну
Точное время столкновения Земли и Тейи пока не установлено. Новые модели показывают, что время события напрямую связано с температурой протопланет.
Раннее столкновение означало бы более горячие Землю и Тейю. В этом случае вещество легче разрушалось и деформировалось, а Луна при определённых условиях могла образоваться чрезвычайно быстро.
Более позднее столкновение предполагало бы более холодную и прочную Тейю. Тогда образование спутника могло происходить через более длительную стадию существования диска обломков.
Поэтому определение времени рождения Луны остаётся одной из ключевых задач. Ответ позволит лучше понять не только историю самого спутника, но и условия, существовавшие на Земле в первые десятки и сотни миллионов лет её существования.
Что это означает для поиска спутников у других планет
Результаты моделирования могут иметь значение и за пределами Солнечной системы. Астрономы всё активнее ищут экзолуны — естественные спутники планет, обращающихся вокруг других звёзд.
Если крупные спутники каменистых планет способны формироваться после гигантских столкновений всего за несколько часов, обнаружить промежуточную стадию такого процесса будет чрезвычайно сложно. Диск вещества, из которого возникает спутник, может существовать слишком недолго.
Это означает, что поиск систем, находящихся непосредственно в процессе формирования спутника после столкновения, может оказаться значительно сложнее, чем предполагалось.
При этом ситуация с газовыми гигантами отличается. Их спутники обычно связывают не с единичным гигантским ударом, а с веществом, оставшимся вокруг молодой планеты после её формирования. Такие околопланетные диски могут существовать иначе и представлять более подходящую цель для наблюдений.
Гигантский удар остаётся наиболее вероятным объяснением
Несмотря на множество нерешённых деталей, гипотеза гигантского столкновения остаётся ведущим объяснением происхождения Луны. Она позволяет связать появление крупного спутника Земли с динамичной и чрезвычайно хаотичной эпохой ранней Солнечной системы.
Молодые планеты сталкивались, объединялись и разрушались. Современные Земля, Венера, Марс и другие тела являются результатом длительной серии таких процессов. Формирование Луны, вероятно, стало одним из наиболее масштабных событий в истории Земли.
Новые расчёты показывают, что этот процесс мог быть гораздо быстрее, чем считалось ранее. При определённых условиях между моментом столкновения и появлением крупного лунного тела могло пройти всего около пяти часов.
Однако такой сценарий пока представляет собой результат моделирования, а не окончательно установленную историю. Учёным ещё предстоит сопоставить различные модели с химическим составом Луны, её внутренним строением и другими данными.
История Луны ещё не написана полностью
Возраст Луны составляет около 4,5 миллиарда лет, но её происхождение продолжает скрывать важные детали. Новые модели показывают, что на ход гигантского столкновения влияли не только размеры и траектории небесных тел, но и их внутреннее состояние.
Температура молодой Тейи могла определить, переживёт ли она столкновение частично или будет практически полностью разрушена. От этого, в свою очередь, зависело распределение вещества вокруг Земли и скорость образования будущего спутника.
В одном варианте событий Луна постепенно собиралась из диска обломков. В другом крупное лунное тело могло возникнуть примерно за пять часов после столкновения.
Дальнейшие исследования должны показать, какой из этих сценариев ближе к реальной истории Земли. Но уже сейчас ясно, что современная Луна — результат событий, происходивших в чрезвычайно раннюю и бурную эпоху существования нашей планеты, когда формирование мира вокруг Земли могло происходить с поразительной скоростью.
Источники:
Статья создана по материалам Space.com
