[Перевод] Кризис классической теории происхождения Луны
Спустя несколько десятилетий после того, как учёные вроде бы договорились об одной теории, появляется противоречащее ей новое свидетельство возможного способа появления Луны
Впечатление художника о синестии, гипотетическом объекте, состоящем из испарившегося камня, который, возможно, породил Луну
13 декабря 1972 года астронавт «Аполло-17» Харрисон Шмитт подошёл к валуну в лунном Море Спокойствия. «У этого валуна есть след, идущий прямо с холма», — сказал он своему командиру, Юджину Цернану, указывая на отметки, оставленные скатившимся со склона камнем. Цернан наклонился, чтобы собрать образцы.
«Мне не хотелось бы думать об этом», — сказал Шмитт.
Астронавты откололи кусочки луны с валуна. Затем при помощи грабелек Шмитт поскрёб пыльную поверхность, приподняв камень, позже названный троктолитом 76536 с реголита и внеся его в историю.
Этот камень и его брат-валун расскажут историю того, как появилась вся Луна. В этой истории создания, описанной в бессчетном множестве учебников и пояснениях к музейным экспонатам за последние четыре десятилетия, Луна родилась в пагубном столкновении зародышевой Земли и каменистого мира размером с Марс. Второй мир назвали Тея, в честь греческой богини, породившей Селену, т.е. Луну. Тея с такой скоростью и силой ударила Землю, что оба мира расплавились. Остатки обломков Теи охладились и отвердели, превратившись в нашего серебристого компаньона.
Современные измерения троктолита 76536 и других камней с Луны и Марса зародили сомнения в этой истории. За последние пять лет шквал исследований выявил проблему: каноническая гипотеза ударного формирования зиждется на предположениях, не соответствующих фактам. Если Тея ударила Землю, а потом сформировала Луну, то Луна должна состоять из такого же материала, что и Тея. Но Луна не выглядит, как Тея — или как Марс. Вплоть до атомов она выглядит почти точно так же, как Земля.
Астронавт зондирует камни на Луне
Повстречав это несоответствие, исследователи Луны начали искать новые идеи, чтобы понять, как она появилась. Самое очевидное решение может быть и самым простым, хотя оно создаёт другие проблемы с пониманием ранних этапов Солнечной системы: возможно, Тея и сформировала луну, но при этом Тея состояла из материала, почти идентичного земному. Вторая возможность — процесс столкновения всё хорошенько перемешал, равномерно распределил комки и жидкости, словно тесто для блинов. Это могло случиться при чрезвычайно высокоэнергетическом столкновении, или в серии столкновений, породивших несколько лун, объединившихся позднее. Третье объяснение ставит под сомнение то, что мы знаем о планетах. Возможно, что Земля и Луна претерпели странные метаморфозы и совершали необычные движения на орбите, что резко поменяло их вращение и их будущее.
Четыре способа создать Луну
С появлением проблем у основной теории возникновения Луны учёные накидали новых теорий её появления.
Модель ударного формирования
Эта классическая теория, появившаяся в 1970-х, утверждает, что булыжник размером с Марс, Тея, долбанул по юной Земле. После удара появился диск из обломков, позднее объединившийся в Луну. Но новые исследования обнаружили конфликт: компьютерные симуляции говорят о том, что Луна должна состоять из материала, сходного с материалом Теи, а геохимическое исследование Луны говорит о том, что она состоит из материала, сходного с земным.
Синестия
Возможно, Тея ударила Землю достаточно сильно для того, чтобы оба объекта испарились и образовали новую космическую структуру, синестию. Вращающееся облако горячих обломков могло тщательно перемешать материалы Теи и Земли и создать систему Земля/Луна со сходной геохимией.
Малые луны
Возможно, что вместо одного серьёзного удара произошло множество сравнительно мелких, каждый из которых создавал луну. В этой модели каждое столкновение с объектом размером с Луну создавало диск из обломков, который постепенно собирался в малую луну. Затем следующий удар добавлял обломков, и в итоге они скомбинировались в большую Луну.
Столкновение близнецов
Возможно, наиболее простой альтернативой будет вариант, в котором Тея состоит из того же материала, что и Земля. Но это предположение идёт вразрез с большей частью наших представлений о формировании планетных систем.
* * *
Чтобы понять, что могло случиться в самый запоминающийся день Земли, нужно понять юность Солнечной системы. Четыре с половиной миллиарда лет назад Солнце было окружено горячим облаком обломков, похожим на пончик. Порождённые в недрах звезды элементы двигались вокруг новообразованного Солнца, охлаждаясь, и спустя эпохи, комбинируясь — в процессе, который нам в точности пока неясен — в комочки, затем в планетезимали, затем во всё более крупные планеты. Эти каменистые тела активно и жёстко сталкивались, испаряя друг друга. Именно в этом жёстком адском бильярде и появились Земля и Луна.
Чтобы получить сегодняшнюю Луну, с её размером, вращением и скоростью убегания от Земли, согласно нашим лучшим компьютерным моделям, необходимо, чтобы с Землёй столкнулось тело размером с Марс. Всё, что больше или сильно меньше привело бы к появлению системы с куда как большим вращательным моментом импульса. Тело большего размера также выбросило бы на орбиту Земли слишком много железа, и создало бы более богатую железом луну, чем наша.
Момент импульса — это величина, описывающая движение и массу вращающегося объекта или системы вращающихся объектов: вращающейся Земли, вращающейся Луны, оборачивающейся вокруг вращающейся Земли, и так далее. Момент импульса всегда сохраняется, то есть, его можно приобрести или потерять только с вмешательством третьей силы.
Ранние геохимические исследования троктолита 76536 и других камней поддерживали эту историю. Они показали, что лунные камни должны были возникнуть в океане лунной магмы, который можно создать только при ударном формировании. Троктолит упал бы в расплавленное море как айсберг, отколовшийся от Антарктики. На основе физических ограничений учёные утверждали, что Луна состоит из остатков Теи. Но тут есть проблема.
Вернёмся к ранней Солнечной системе. После столкновения и испарения каменистых миров их содержимое перемешивалось, и в итоге успокаивалось в определённых областях пространства. Ближе к солнцу, там, где жарче, лёгкие элементы с большей вероятностью должны были испаряться, оставляя избыток тяжёлых изотопов (вариантов элементов, содержащих дополнительные нейтроны). Дальше от солнца камни сумели удержатьь больше воды и лёгких изотопов. Поэтому учёные могут изучить смесь изотопов объекта и определить, из какой части солнечной системы он прибыл, так же, как акцент выдаёт родину человека.
Сара Стюарт, планетолог из Калифорнийского университета в Дэйвисе и её студент Саймон Лок из Гарвардского университета
Эти различия настолько очевидны, что их используют для классификации планет и типов метеоритов. Марс, к примеру, так сильно отличается от Земли, что его метеориты можно определить, просто измеряя соотношения трёх различных изотопов кислорода.
В 2001 году, используя передовые технологии масс-спектрометрии, швейцарские учёные повторно измерили троктолит 76536 и 30 других лунных проб. Они обнаружили, что их изотопы кислорода были неотличимы от земных. С тех пор геохимики изучали титан, вольфрам, хром, рубидий, калий и другие редкие металлы Земли и Луны, и в общем всё выглядит одинаково.
Это плохие новости для Теи. Если Марс так очевидно отличается от Земли, то Тея –, а следовательно, и Луна — тоже должна отличаться. Если они одинаковые, это значит, что Луна должна была сформироваться из расплавленных осколков Земли. Камни с «Аполло» противоречат тому, что говорит физика.
«Каноническая модель переживает серьёзный кризис, — говорит Сара Стюарт, планетолог из Калифорнийского университета в Дэйвисе. — Её пока не убили, но на текущий момент она не работает».
* * *
Стюарт пыталась примирить физические ограничения — необходимость в сталкивающемся теле определённого размера, движущемся с определённой скоростью — с новыми геохимическими свидетельствами. В 2012 году она и Матья Чук [Matija Ćuk], сегодня работающий в институте SETI, предложили новую физическую модель формирования Луны. Они утверждают, что ранняя Земля вращалась быстро, как дервиш, совершая один оборот за два-три часа, когда с ней столкнулась Тея. Столкновение должно было привести к появлению диска вокруг Земли, похожего на кольца Сатурна –, но он сохранился бы не дольше, чем на 24 часа. В результате он бы охладился и отвердел, образовав Луну.
Суперкомпьютеры недостаточно мощны, чтобы полностью смоделировать этот процесс, но они показали, что снаряд, врезающийся в быстро вращающийся мир, может вырезать приличный кусок Земли, уничтожить большую часть Теи, и собрать из этих обломков Луну и Землю со сходным содержанием изотопов. Это как швырнуть кусок ещё не застывшей глины на быстро вращающийся гончарный круг.
Но чтобы объяснение с участием быстро вращающейся Земли сработало, необходимо, чтобы что-то ещё замедлило её вращение до сегодняшнего. В работе 2012 года Стюарт и Чук доказывали, что при определённых взаимодействиях с орбитальным резонансом Земля могла передать момент импульса Солнцу. Позднее Джек Виздом из MTI предложил несколько различных сценариев потери момента импульса системой Земля/Луна.
Но ни одно из объяснений не было достаточно удовлетворительным. Стюарт говорит, что модели 2012 года не могли объяснить орбиту или химический состав Луны. Затем, в прошлом году Саймон Лок, аспирант из Гарвардского университета, учившийся у Стюарт, предложил обновлённую модель, в которой предлагается прежде не рассматривавшаяся планетарная структура.
В этой истории все частички Земли и Теи испарились и сформировали раздутое облако в форме толстого бублика. Облако вращалось так быстро, что достигло коротационного лимита [co-rotation limit]. В этом состоянии на внешнем краю облака испарившиеся камни вращались так быстро, что облако приобрело новую структуру, в которой толстый диск вращается вокруг внутреннего региона. Что важно, диск не был отделён от центрального региона, как отделены кольца от Сатурна, и как были отделены диски в моделях формирования луны после столкновения.
Синестия могла состоять из бубликообразной массы испарившегося камня, окружавшего каменистую планету
Условия в этой структуре адские до невозможности; поверхности нет, вместо неё есть облака расплавленного камня, и в каждом регионе облака формируются капли расплавленного камня. Луна росла внутри этого пара из капель, до тех пор, пока пар не охладился и не оставил за собой систему Земля/Луна.
Учитывая необычные характеристики структуры, Лок и Стюарт решили, что она заслуживает нового названия. Они придумали несколько версий, после чего выбрали синестию, использующую греческий префикс син-, означающий «вместе», и богиню Гестию, богиню семейного очага, здоровья и архитектуры. Стюарт говорит, что слово означает «объединённая структура».
«Эти тела не такие, как вам кажется на первый взгляд. Они выглядят не так, как вы предполагали», — говорит она.
В мае Лок и Стюарт опубликовали работу по физике синестий; их работу по происхождению Луны из синестии пока оценивают специалисты. Они представляли эту работу на конференциях планетологов зимой и весной, и говорят, что их коллеги были заинтригованы, но не убеждены этой идеей. Возможно, потому, что синестии пока остаются только идеей; в отличие от планет с кольцами, которых много в нашей Солнечной системе, и протопланетных диск, которых много по всей Вселенной, никто ещё не видел синестию.
«Но это однозначно интересный путь, способный объяснить особенности нашей Луны и помочь нам преодолеть затруднение с нашей неработающей моделью», — говорит Лок.
* * *
Среди естественных спутников в Солнечной системе Луна выделяется своим одиночеством. У Меркурия и Венеры нет естественных спутников, в частности из-за их близости к Солнцу, чьё гравитационное влияние сделало бы орбиты таких лун нестабильными. У Марса есть крохотные Фобос и Деймос; некоторые считают, что это захваченные астероиды, а другие — что они сформировались после столкновений тел с Марсом. Газовые гиганты просто переполнены лунами, некоторые из которых каменистые, некоторые — водные, некоторые — смешанные.
По контрасту с этими лунами, спутник Земли выделяется своим размером и массой. Масса Луны составляет примерно 1% от массы Земли, в то время как общая масса спутников внешних планет не превышает одну десятую процента массы их родителей. Что ещё важнее, Луна отвечает за 80% момента импульса системы Земля/Луна, то есть за 80% движения всей системы. У внешних планет этот показатель не превышает 1%.
Но Луна не обязательно всегда несла такую нагрузку. Лик Луны демонстрирует, что её всю жизнь бомбардировали; почему мы должны предполагать, что из Земли её вырезал всего один камень? Возможно, что Луну создало множество соударений, говорит Ралука Руфу [Raluca Rufu], планетолог из Вайзманновского научного института в Израиле.
В опубликованной этой зимой работе она утверждает, что Луна не появилась у Земли вся сразу. Это собрание, созданное тысячей порезов — или, по меньшей мере, десятком, согласно её симуляциям. Снаряды, летевшие с разных углов и с разной скоростью, могли ударять по Земле и формировать диски, собиравшиеся в малые луны, крошки, по размерам меньшие, чем текущая Луна. Взаимодействия между малыми лунами приводили к их объединениям, что и сформировало нашу сегодняшнюю Луну.
Компьютерная симуляция: две малые луны сливаются вместе
Планетологи хорошо приняли её работу в прошлом году. Робин Канап, специалист по Луне из Юго-западного исследовательского института и один из первых авторов теории формирования Луны, сказал, что она достойна рассмотрения. Однако требуются дополнительные проверки. Руфу не уверена, зафиксировались бы малые луны на своей орбите так, как Луна, повёрнутая к нам всегда одной стороной; если да, то она не уверена, как они объединились бы. «Именно это мы теперь и пытаемся выяснить», — сказала Руфу.
А в это время другие обратились к иному объяснению схожести Земли и Луны, с очень простым ответом. Синестии, малые луны, новые физические модели — всё это спорно. Возможно, что Луна очень похожа на Землю потому, что Тея тоже была на неё похожа.
* * *
Луна — не единственный объект в Солнечной системе, похожий на Землю. В камнях троктолита 76536 такое же соотношение изотопов кислорода, как у камней Земли, и как у группы астероидов под названием энстатитовые хондриты. Сочетание изотопов кислорода у этих астероидов очень похоже на земное, по словам Мириам Телас, космохимика, изучающей метеориты в Научном институте им. Карнеги в Вашингтоне. «Один из аргументов состоит в том, что они формировались в более горячих областях диска, близких к Солнцу», — говорит она. Они, вероятно, формировались рядом с тем местом, где формировалась Земля.
Некоторые из этих булыжников сформировали Землю, другие могли сформировать Тею. Энстатитовые хондриты — обломочный материал, который так и не собрался, чтобы создать мантию, ядро и законченную планету.
В январе Николас Дауфас, геофизик из Чикагского университета, утверждал, что большая часть камней, слившихся в Землю, были метеоритами энстатитового типа. Он писал, что всё, что сформировалось в том же регионе, должно состоять из них. Создание планет происходило из тех предварительно смешанных материалов, что мы находим сейчас на Луне и Земле; они выглядят одинаково, поскольку представляют собой одно и то же. «Гигантское тело, врезавшееся и породившее Луну, вероятно обладало изотопной композицией, близкой к земной», — писал Дауфас.
Дэвид Стивенсон, планетолог из Калифорнийского технологического института, изучавший происхождение Луны с того момента, как гипотезу Теи впервые представили в 1974 году, говорит, что считает эту работу наиболее важным вкладом в дебаты за последний год, и утверждает, что она обращается к проблеме, с которой геохимики пытались справиться десятилетиями.
Николас Дауфас держит кусок энстатитового хондрита, такого астероида, который может состоять из материала, сходного с сформировавшим Землю
«Его история правдоподобна. Это хитрая история того, как рассматривать различные элементы, встречающиеся на Земле, — сказал Стивенсон. — А затем можно перейти к истории о конкретной последовательности событий, формировавших Землю, в которой большую роль играют энстатитовые хондриты».
Но пока не все в это верят. Остаются вопросы по поводу количества изотопов таких элементов, как вольфрам — так говорит Стюарт. Вольфрам-182 — дочка гафния-182, поэтому отношение количества вольфрама к гафнию работает, как часы, и определяет возраст конкретного камня. Если в одном камне вольфрама-182 больше, чем в другом, можно спокойно утверждать, что камень с преобладанием вольфрама сформировался раньше. Но самые точные из доступных измерений показывают, что у Земли и Луны отношение вольфрама к гафнию одинаковое. «Было бы очень удачным совпадением, если бы у двух тел оказались одинаковые составы», — заключает Дауфас.
* * *
Понимание Луны — нашего постоянного партнёра, серебристой сестры, цели мечтателей и исследователей с незапамятных времён — интересно само по себе. Но история её происхождения и история таких камней, как троктолит 76536, могут стать одной главой в гораздо большей книге.
«Я рассматриваю это как окно в более общий вопрос: что произошло при формировании землеподобных планет? — сказал Стивенсон. — Пока на него никто не ответил».
В поисках ответа на него может помочь понимание синестии; Лок и Стюарт считают, что синестии в ранней Солнечной системе могли формироваться очень быстро, когда протопланеты сталкивались друг с другом и плавились. Многие каменистые тела могли в начале быть толстыми паровыми гало, так что понимание эволюции синестии может помочь учёным понять, как эволюционировала Луна и другие землеподобные миры.
Конечно, делу поможет и сбор большего количества проб, особенно из мантий обеих тел, поскольку у геохимиков тогда будет больше данных для работы. Они смогут сказать, сохраняется ли содержание кислорода, хранящегося в глубинах Земли, с глубиной, или три распространённых изотопа кислорода преобладают друг над другом в разных областях.
«Когда мы говорим, что Земля и Луна очень похожи по содержанию трёх изотопов кислорода, мы делаем предположение, что нам на самом деле известно, что такое Земля и что такое Луна», — говорит Стивенсон.
Новые детали в теории происхождения Солнечной системы, часто основанные на сложных компьютерных симуляциях, помогают разобраться в том, где рождались планеты и куда они переместились. Учёные всё чаще говорят о том, что Марс эту историю нам не расскажет, поскольку он мог сформироваться не в той же части Солнечной системы, где появились Земля, энстатиты и Тея. Стивенсон говорит, что Марс больше не нужно использовать в качестве барометра каменистых планет.
Специалисты по Луне соглашаются, что наилучшие ответы могут найтись на Венере, планете, более других похожей на Землю. В молодости у неё могла быть Луна, потерявшаяся потом; она могла быть очень похожей на Землю, или непохожей. «Если бы мы смогли получить камешек с Венеры, нам было бы очень просто ответить на вопрос происхождения Луны. Но, к сожалению, этого нет ни у кого в списке приоритетов», — говорит Лок.
Отсутствие проб с Венеры и лабораторий, способных проверить невообразимые давления и температуры в центре столкновений, оставляет специалистов по Луне придумывать новые модели — и пересматривать изначальную историю Луны.
