Модель ударного формирования Луны

Один из вариантов Гигантского столкновения. Вид с южного полюса Солнца.

Модель ударного формирования Луны (употребляется также термин «Модель мегаимпакта», «Гигантское столкновение» (от англ. Giant impact) и т. д.) — одна из распространённых гипотез формирования Луны. Согласно этой модели, Луна возникла в результате столкновения молодой Земли и объекта, по размерам сходного с Марсом. Этот гипотетический объект иногда называют Тейя в честь одной из сестёр-титанид, матери Гелиоса, Эос и Селены (луны).

Данные, полученные в рамках миссии «Аполлон», согласно которым соотношение изотопов титана в лунных образцах совпадает с земным, требуют пересмотра существующих моделей формирования Луны с учётом изотопной однородности. На данный момент существует несколько модификаций теории столкновения, которые позволяют объяснить эту однородность. В частности, Тейя могла быть массивнее, чем считалось до сих пор, или Луна могла остывать дольше.

Доказательствами справедливости этой гипотезы считаются: образцы лунного грунта, указывающие на то, что поверхность Луны когда-то была расплавленной, и то, что Луна, по-видимому, имеет относительно малое ядро из сернистого железа, а также свидетельства подобных столкновений в других звездных системах.

Однако, осталось несколько вопросов, связанных с этой гипотезой, которые так и не получили объяснения. К их числу можно отнести: отсутствие в лунных образцах ожидаемого процентного содержания летучих элементов, окисей железа или сидерофильных элементов, а также отсутствие доказательств того, что Земля когда-то имела океаны магмы, подразумеваемые этой гипотезой.

Впервые теорию гигантского столкновения выдвинули Уильям К. Хартманн и Дональд Р. Дэвис в 1975 году в статье, напечатанной в журнале «Icarus».

Сценарий столкновения

Орбита луны за последние 4.57 миллиарда лет

4,533 миллиарда лет назад, вскоре после формирования, Земля столкнулась с протопланетой Тейя — близкой по размеру к Марсу (примерно 1/10 массы Земли). Удар пришёлся не по центру, а под углом (почти по касательной). В результате большая часть вещества ударившегося объекта и часть вещества земной мантии были выброшены на околоземную орбиту. Из этих обломков собралась прото-Луна и начала обращаться по орбите с радиусом около 60 000 км. Земля в результате удара получила резкий прирост скорости вращения (один оборот за 5 часов) и заметный наклон оси вращения.

Из компьютерной модели этого события был сделан вывод, что Луна приобрела свою сферическую форму в период от одного года до ста лет после столкновения.

Свидетельствуют о таком столкновении собранные экипажами космических аппаратов «Аполлон» образцы лунных пород, которые по составу изотопов кислорода почти идентичны веществу земной мантии. При химическом исследовании этих образцов не обнаружено ни летучих соединений, ни лёгких элементов; предполагается, что они были «выпарены» при чрезвычайно сильном нагреве, сопутствовавшем образованию этих пород. Сейсмометрией на Луне были измерены размеры её железо-никелевого ядра, которое оказалось меньше, чем предполагается другими гипотезами образования Луны (например, гипотезой одновременного формирования Луны и Земли). В то же время, такой малый размер ядра хорошо вписывается в теорию столкновения, в которой считается, что Луна сформировалась в основном из выброшенного при ударе более легкого вещества мантии Земли и столкнувшегося с нею тела, в то время как тяжёлое ядро этого тела погрузилось и слилось с ядром Земли.

Помимо самого факта существования Луны, теория объясняет и дефицит в земной коре фельзических («светлых») и промежуточных пород, которых недостаточно для полного покрытия поверхности Земли. В результате мы имеем материки, состоящие из относительно лёгких фельзических пород, и океанские бассейны, состоящие из более тёмных и тяжёлых металлосодержащих пород. Такая разница в составе пород, при наличии воды позволяет функционировать системе тектонического движения литосферных плит, образующих земную кору.

Также предполагается, что наклон земной оси и само вращение Земли — результат именно этого столкновения.

Тейя

Тейя сформировалась в точке Лагранжа L4, затем перешла на хаотическую орбиту, приблизилась к Земле и столкнулась с нею. Одна «петля» орбиты занимает один год. Земля показана неподвижной (вращающаяся система отсчета)

По мнению некоторых^[кого?], столкновение тела марсовых размеров с Землёй под таким углом, чтобы не разрушить планету, в сочетании с возникшим «удачным» углом наклона оси Земли (который обеспечивает смену времени года), плюс создание условий для мощной литосферной тектоники (которая обеспечивает воспроизводство «углеродного цикла»), — всё это может являться доводом в пользу малой вероятности возникновения жизни вообще, и, соответственно, крайне малой вероятности существования жизни в ближайших областях Вселенной. Эта гипотеза получила название «гипотеза уникальной Земли» (Rare Earth).

Однако в вышедшей в 2004 году статье Эдвард Белбруно и Ричард Готт предположили, что столкнувшаяся с Землёй гипотетическая протопланета Тейя могла сформироваться в одной из точек Лагранжа системы Земля-Солнце — L₄ или L₅, а затем перейти на беспорядочную орбиту, например в результате гравитационных возмущений со стороны других планет, и ударить Землю на более-менее низкой скорости.

Такой механизм существенно повышает вероятность встречи небесного тела с Землёй при требуемых параметрах столкновения. Моделирование, проведённое в 2005 году д-ром Робин Кэнап, показало, что спутник Плутона Харон мог также образоваться около 4,5 миллиардов лет назад от столкновения Плутона с другим телом из пояса Койпера, диаметром от 1600 до 2000 км, которое ударило планету на скорости 1 км/с. Кэнап предполагает, что такой процесс формирования спутников планет мог быть обычным делом в молодой Солнечной системе. Такие планеты на нестабильных орбитах пропадают очень быстро после возникновения планетной системы, и вращение нынешних планет может объясняться этим механизмом.

В таком случае «гипотеза уникальной Земли» сводится лишь к нужному положению планеты в нашей звездной системе, большому количеству жидкой воды на поверхности, тяжёлому спутнику на низкой орбите, создающему гигантские приливы и перемешивающему их содержимое в течение миллиарда лет.

См. также

Происхождение Луны — сравнительный обзор выдвигавшихся гипотез происхождения Луны.

Литература

• Dana Mackenzie, «The Big Splat, or How Our Moon Came to Be», 2003, John Wiley & Sons, ISBN 0-471-15057-6.
• D.V.Voronin «Generation of the Moon and Some Other Celestial Bodies due to Explosion in Planet Interiors» INTERNATIONAL JOURNAL OF GEOLOGY Issue 2, Vol. 1, 2007
• Алексей Левин «Прекрасная Селена» «Популярная механика» № 5, 2008

Ссылки

• Planetary Science Institute (англ.) — страница по Теории гигантского столкновения.
• Southwest Research Institute (англ.)
• Computer modelling of the moon’s creation (англ.)
• Southwest Research Institute (англ.) — сообщение о теории происхождения Харона в результате столкновения.