До экспедиций на Луну 1969-1972 годов бытовало несколько теорий происхождения Луны. Всё изменилось после того, как NASA получило образцы лунных пород.
24 июля 1969 года «Аполлон-11» доставил на Землю 22 кг лунных пород. Группа предварительного анализа образцов времени не теряла. Команда во главе с геохимиком Стюартом Россом Тейлором (Stuart Ross Taylor) состояла из 15 крупных ученых — геологов, физиков и микробиологов. Наряду с тщательным визуальным исследованием наиболее важные результаты дала масс-спектрометрия. Этот анализ начинается с испарения и ионизации образца в электрической дуге. Затем ионы разгоняются в электрическом поле и попадают в магнитное, где их траектории искривляются. По кривизне этих траекторий можно определить не только элементный, но и изотопный состав образца. Наряду с драгоценными лунными образцами в распоряжении группы имелись для сравнения многообразные земные породы. Работа с образцами началась 26 июля, и уже в начале августа группа выпустила предварительный отчет, где отмечалось, что породы содержат относительно высокую концентрацию тугоплавких элементов, таких как титан, иттрий и цирконий, но мало летучих элементов вроде натрия, калия, свинца, никеля и кобальта. Казалось ясным, что содержание этих элементов с температурой плавления ниже 1500 °С на каком-то этапе сократилось из-за нагревания. Хотя вывод этого первого отчета состоял в том, что факты говорят в пользу теории двойной планеты, в действительности он подталкивал к гипотезе гигантского удара, которая получила широкую известность в следующем десятилетии.
КЛЮЧЕВОЙ ЭКСПЕРИМЕНТ
Основные теории отличались выводами относительно ожидаемого состава лунных пород и самой Луны. Если Луна образовалась рядом с Землей или верна гипотеза разделения, небесные тела должны быть очень похожи по составу. У захваченной Луны химия и минералогия были бы совсем иными. Если Лупа образовалась одновременно с Землей или была захвачена, она должна выглядеть гравитационно «дифференцированным» телом с рядом внутренних слоев и плотным железным ядром. И, наоборот, если Луна возникла по дарвиновской модели разделения, вещество Луны происходило бы из относительно легких мантийных пород. Едва взявшись за дело, геологи обнаружили, что в образцах лунных пород удивительным образом смешано знакомое и незнакомое (см. врезку «Ключевой эксперимент»). Базальты из Моря Спокойствия оказались по минеральному составу очень похожими на земные, но при этом сильно обеднены летучими веществами. Интереснее всего выглядело широкое распространение магматической породы анортозита и стеклоподобного оливина. Эти два факта плюс отсутствие летучих веществ указывали, что поверхность молодой Луны была в прошлом достаточно горячей, чтобы образовались океаны жидкой магмы. В начале 1970-х годов сторонники всех трех конкурирующих теорий бились над объяснением данных «Аполлонов», но никому не удалось достичь полного согласия с новыми фактами. К счастью, наготове была еще одна, упущенная ранее идея — гипотеза гигантского столкновения Реджинальда Дейли. Она вернулась в научный оборот в 1975 году в статье Уильяма Хартмана и Дональда Дэвиса (William К Hartmann, Donald R Davis) из Планетологического института в Аризоне (США). К этому времени возрождение лапласовской небулярной гипотезы шло полным ходом благодаря работам советского астронома Виктора Сафронова. Его вариант теории Лапласа включал стадию, на которой молодая Солнечная система заполнена планетезималями — телами поперечником от сотен до тысяч километров. Сталкиваясь и сливаясь, они формировали планеты. Хартмана и Дэвиса заинтересовала возможность, что удары небольших планетезималей по юной Луне могли породить на ее поверхности огромные импактиые бассейны. Не зная о более ранней работе Дейли, они тоже пришли к мысли, что столкновение с Землей более крупной планетезимали могло выбросить на орбиту смесь земных пород с веществом налетевшего тела. На следующий год Аластер Кэмерон и Уильям Уорд (Alastair GW Cameron, William R Ward) из обсерватории Гарвардского колледжа (США) уточнили: если тело было размером с Марс и ударило по касательной, большая часть выброшенного материала должна поступить из земной мантии, что объясняет низкую плотность Луны по сравнению с Землей. При этом выделяется достаточно тепла, чтобы основная часть летучих веществ испарилась в космос.
Джордж Дарвин (1845-1912). Джордж, пятый ребенок Чарлза Дарвина, сам стал уважаемым математиком и астрономом. Хотя сегодня его в основном помнят благодаря теории образования Луны путем отделения от Земли, он также выполнил важные исследования приливных сил и так называемой задачи трех тел, описывающей гравитационное взаимодействие Земли, Луны и Солнца.
Реджинальд Олдворт Дейли (1871-1957) Этот влиятельный канадский геолог начал карьеру, изучая породы вдоль канадско-американской границы. Тот факт, что он придумал гипотезу гигантского удара, часто затеняется его вкладом в наше понимание магматических пород и его поддержкой теории дрейфа континентов.
Гарольд Юри (1893-1981) Этот американский химик рано прославился открытием и выделением дейтерия, тяжелого изотопа водорода, и сыграл важную роль в разработке атомной бомбы. Наряду с развитием теории гравитационного захвата Луны, он также знаменит своими экспериментами совместно со Стэнли Миллером (Stanley Miller) по изучению происхождения жизни на Земле.
Джерард Койпер (1905-1973) Датчанин по происхождению, Койпер был одним из величайших планетологов XX века, открывшим спутники Урана и Нептуна и первым обнаружившим углекислый газ в атмосфере Марса. Он был влиятельной фигурой в NASA в период запуска первой волны межпланетных зондов и помогал в выборе мест посадки по программе «Аполлон».
Уильям Хартман (р. 1939) и Дональд Дэвис (р. 1939) Два самых заслуженных на сегодня планетолога, не в последнюю очередь благодаря тому, что отстаивали теорию гигантского удара. Хартман [на снимке] специализируется на эволюции поверхности планет, тогда как Дэвис в основном занимается эволюцией малых тел Солнечной системы.
ДЕЙСТВУЮЩИЕ ЛИЦА
Теория Хартмана и Дэвиса прекрасно согласовывалась с данными, полученными в ходе программы «Аполлон», и в следующем десятилетии ее научные позиции быстро укреплялись. А вот «большая тройка» теорий встречала всё нарастающие трудности в геологическом анализе и компьютерном моделировании. Но многогранный характер результатов программы «Аполлон» оставлял достаточно пространства для дебатов, так что идея столкновения не могла добиться решающего перевеса до 1984 года, когда состоялась конференция в гавайском городе Коне.
С конца 1980-х годов число фактов, подтверждающих, что Луна образовалась из вещества, выброшенного при гигантском столкновении, стало быстро расти. Компьютерные модели позволили оценить массы врезавшегося тела, молодой Земли и выброшенного вещества, а в 2000 году геохимик Алекс Холлидей (Alex Halliday) даже присвоил налетевшему на Землю объекту имя Тейя (Theia) в честь матери лунной богини Селены в греческой мифологии. Похоже, это название прижилось.
ХРОНОЛОГИЯ
Как на протяжении 3х столетий развивались представления о происхождении Луны
1795 Объяснение происхождения Солнечной системы предложенное Пьером-Симоном Лапласом, стало первой научной теорией возникновения Луны. Сегодня оно известно как теория ко-аккреции (совместной аккреции).
1878 Джордж Дарвин выдвинул теорию, по которой Луна отделилась от быстро вращающейся молодой Земли. Эта идея была подсказана его математическими исследованиями приливных сил. Ее стали называть теорией разделения.
1952 Гарольд Юри опубликовал первые серьезные аргументы в пользу того, что Луна образовалась где-то в другом месте Солнечной системы и была захвачена на околоземную орбиту в более поздний период.
1975 Уильям Хартман и Дональд Дэвис предположили, что огромная планетезималь ударила по молодой Земле, обеспечив тем самым энергию, необходимую для выброса материала, из которого образовалась Луна.
1984 На конференции в Коне (Гавайи, США) обсуждалось происхождение Луны и был достигнут консенсус относительно гипотезы гигантского удара. Однако в ее рамках еще предстоит решить множество частных вопросов.
ХРОНОЛОГИЯ
Тейя — одна из множества планетезималей, рассекавших пространство Солнечной системы в ее ранние годы. По понятным причинам она вызывала у астрономов особое любопытство, и они потратили массу усилий, изучая ее возможные свойства. Однако, к их огромному разочарованию, геологи, продолжающие исследовать состав Луны, вынудили астрономов еще раз пересмотреть свою гипотезу, чтобы объяснить минералогические факты. На сегодня ясно, что Луна не столь сухая, как считалось прежде, и вода, заключенная в некоторых ее минералах, вряд ли была занесена кометами. Представление о глобальном океане лавы в прошлом уже не выдерживает давления фактов. Модель образования должна позволять Луне сконденсироваться без полного расплавления в ходе этого процесса. При этом соотношения изотопов в некоторых лунных минералах до необъяснимого похожи на земные — без следов предположительно чужеродной Тейи.
Руководители NASA позируют о первым ящиком лунных образцов, доставленных «Аполлоном-11» в 1969 году
ОБРАЗОВАНИЕ ЛУНЫ
Чтобы справиться с этими проблемами, были придуманы три уловки, дополняющие теорию. Согласно одной из них, Тейя образовалась в той же части протопланетного облака, что и Земля, и поэтому у нее почти такой же химический состав. Возможно, она даже обращалась вокруг Земли, пока из-за роста массы ее движение не стало неустойчивым. Другой вариант: Тейя могла быть намного больше, чем считалось прежде, — возможно, вдвое массивнее Марса, — так что столкновение существенно изменило химию самой Земли. Третья возможность состоит в том, что Тейя была карликовой ледяной планетой, залетевшей из далеких внешних областей Солнечной системы. При ее ударе выделилось достаточное количество энергии, чтобы выбить породы из земной мантии, но ее собственные летучие вещества при этом испарились в космос и почти не повлияли в итоге на состав Луны.
НАДО ЗНАТЬ
1. ИЗОТОПЫ Разновидности элементов, обладающие одинаковыми химическими свойствами, но имеющие разные атомные массы. Соотношение в веществе изотопов элементов существенно отличается в разных областях Солнечной системы, что дает ценную информацию о месте происхождения вещества.
2. ПЛАНЕТЕЗИМАЛИ Крупные тела, образовавшиеся на ранней стадии развития Солнечной системы, достаточно массивные, чтобы притягивать газ и пыль окружающего протопланетного диска (этот процесс называется аккрецией) и тем самым быстро расти. Считается, что столкновения планетезималей играли ключевую роль в образовании планет.
Источник
Гипотезы образования Луны
Научные исследования раскрыли немало фактов о ближайшем к нам космическом объекте, но на вопрос, как появилась Луна и откуда взялась около Земли, ученые не дают точного ответа. В истории исследования Луны были различные гипотезы о ее возникновении.
Гипотезы и факты
Любой, кто выдвигает гипотезу образования Луны должен учитывать не только физическим законам, но и объяснять следующие факты:
Средняя плотность Луны уступает средней плотности Земли из-за наличия у последней большого металлического ядра.
Помимо дефицита железа, Луна имеет весьма низкое, по сравнению с Землей, содержание легколетучих элементов, таких, как водород, азот, фтор, инертные газы. И напротив, на Луне наблюдается некоторый излишек относительно тугоплавких элементов, например, титана, урана и тория.
Породы лунной коры и породы земной коры и мантии практически идентичны по соотношению стабильных изотопов кислорода. Для сравнения, метеориты из разных частей Солнечной системы (в том числе и т. н. марсианские метеориты) имеют совершенно другие соотношения изотопов кислорода.
Внутреннее строение луны
Луна имеет мощную прочную кору толщиной в 60-80 километров (в несколько раз толще земной коры), образованную из пород плавления лунной мантии. Поэтому полагают, что Луна когда-то была нагрета до полного расплавления. Земля, как считается, никогда не была полностью расплавленной.
Луна и Земля имеют необычно высокое соотношение масс спутника и планеты, равное 1/81, в сравнении с остальными спутниками планет Солнечной системы.
Cистема Луна-Земля обладает необычно высоким угловым моментом импульса.
Плоскость орбиты Луны (наклон 5° к эклиптике) не совпадает с экваториальной плоскостью Земли (наклон 23,5° к эклиптике).
Рассмотрим основные гипотезы, которые существуют в настоящее время о том, как и когда появилась Луна.
Гипотеза центробежного разделения
В 1878 г. английский астроном Джордж Дарвин, сын Чарлза Дарвина, предложил теорию: ночное светило, бывшее частью Земли, впоследствии отделилось. По его версии Земля в начале существования представляла горячую жидкую массу, вращающуюся с большой скоростью.
При вращении центробежная сила так вытягивала массу в зоне экватора, что от нее оторвалась часть вещества, которая после остывания стала Протолуной. Указывалось и место такого отрыва — Тихоокеанский бассейн.
Подтверждением этой версии является идентичность плотности Луны и геосферы Земли и установленная в процессе исследований высокая скорость вращения планеты в прошлом.
Мнение за и против:
Отрыв вещества от чрезмерно растянутого экваториального выступа хорошо объясняет имеющийся размер Луны. Этой гипотезе хорошо соответствует и меньшая плотность Луны, поскольку она соответствует плотности земной мантии. Современные данные подтверждают и факт более быстрого вращения Земли в далёком прошлом.
Однако требуемая для центробежного отрыва скорость вращения чрезмерно велика (один оборот Земли за 1-2 часа). Момент импульса вращения Земли в таком случае должен был в 3-4 раза превышать нынешний момент импульса системы Земля — Луна (который и без того необычно высок). Появление у образовавшейся Земли такого момента импульса вращения невозможно объяснить, как невозможно объяснить и его последующее исчезновение.
Более низкое, чем у Земли, содержание летучих элементов в лунном веществе не вписывается в данную гипотезу. К тому же современная теория тектоники литосферных плит считает, что тихоокеанский бассейн в его нынешнем виде существует всего около 70 миллионов лет, и никак не мог образоваться при отрыве мантии от Земли.
Гипотеза захвата
Данная гипотеза, выдвинутая в начале 20 века, утверждает, что Луна некогда была вполне самостоятельной планетой Солнечной системы. Под влиянием соседних небесных тел она сильно отклонилась от своей орбиты и в момент наибольшего сближения была захвачена гравитацией Земли.
По причине твердости лунной поверхности считается, что это произошло недавно. Если бы спутник сформировался в одно с Землей время, в скопившемся на нем пылевом слое утонули бы исследовательские аппараты.
Известно, что в этих условиях С. П. Королёв принял волевое решение считать поверхность Луны твёрдой и рассчитывать станцию соответственно: следует рассчитывать на достаточно твёрдый грунт типа пемзы
Многие в подтверждение гипотезы ссылаются на легенды ряда народов Земли, в частности, догонов, говорят о временах, когда Луны на небе ещё не было, и о появлении на небе нового светила (Луны).
Мнение против
Захват Луны земной гравитацией мог бы хорошо объяснить высокий момент импульса системы Земля — Луна. Но результаты моделирования показывают, что вероятность захвата Землёй пролетающего тела с массой Луны ничтожно мала. Гораздо более вероятно, что пролетающая планета столкнулась бы с Землёй или наоборот, была бы отброшена гравитацией Земли далеко за пределы земной орбиты.
Малая плотность Луны и отсутствие у неё железного ядра могут быть объяснены, если предположить, что Луна образовалась за пределами зоны планет земной группы (Меркурий, Венера, Земля, Марс). Но тогда невозможно объяснить дефицит летучих элементов, которые есть в изобилии в зоне планет-гигантов. Трудно найти в Солнечной системе подходящую область с меньшим содержанием и того, и другого.
Идентичность соотношения изотопов кислорода на Луне и на Земле совершенно не вписывается в данную гипотезу.
Таким образом, современные исследования превратили гипотезу захвата в маловероятную.
Гипотеза совместного образования
Согласно этой гипотезе Земля и Луна образовались одновременно, в непосредственной близости друг от друга.
Совместное формирование нашей планеты и ее спутника – одна из первых версий о том, откуда появилась Луна. Выдвинута она была немецким философом Кантом.
Земля, как и все планеты Солнечной системы, образовалась из одного газопылевого облака после формирования Солнца. Она постепенно приращивала свою массу за счет пыли, газов и других частиц. Утверждение о совместной аккреции нашей планеты и ее спутника предполагала, что они сформировались как двойная планета, имеющая один орбитальный путь. Предшественница Земли быстрее наращивала массу, а вокруг нее появилось скопление пыли и частиц. Оно постепенно приобрело собственную орбиту и оформилось в твердое небесное тело – Луну.
Мнение за и против
Подтверждением данной гипотезы является схожесть состава Земли и ее спутника.
Но против нее говорит дефицит железа и летучих веществ в образцах лунной поверхности, разность плотности обоих тел и отношение лунной и земной орбит. Также ученые считают невозможным образование на орбите Земли большого космического объекта из-за земной гравитации. Хотя та же гравитация способна притянуть такой объект из глубин космоса.
Гипотеза испарения
Еще одной теорией естественного происхождения Луны является гипотеза, выдвинутая в 1955 г. эстонским астрономом Эрнстом Эпиком: сформировавшаяся Протоземля была окружена роем постоянно атакующих ее каменных частиц, из-за чего произошел нагрев до температуры примерно 2000ºC.
Большой объем вещества испарился назад в околоземное пространство. Летучие элементы сдул солнечный ветер, тяжелые соединились с частицами пыли и льда, вращающихся вокруг Земли, и образовали единый монолит — будущую Луну.
Мнение против
Гипотеза испарения очень хорошо объясняет данные о химическом составе Луны, но не может разрешить ни проблему высокого углового момента импульса, ни проблему наклона лунной орбиты. Геологические данные также не подтверждают столь сильный разогрев Земли на стадии формирования: состав пород земной коры свидетельствует, что Земля никогда не была полностью расплавленной.
Гипотеза многих лун
Гипотезу образования одной большой Луны из нескольких спутников представили в 1960-х годах Томас Голд и Гордон Макдональд. Их основная идея состояла в том, что Земле гораздо проще было бы захватить по отдельности несколько пролетавших мимо небольших небесных тел, чем одно крупное. Если Земля «поймала» от шести до десяти мелких лун, то их орбиты в дальнейшем могли изменяться приливными силами. На протяжении примерно миллиарда лет луны могли сталкиваться друг с другом, а из их обломков сформировалась бы Луна.
Мнение против:
Неправдоподобно выглядит сама возможность захвата Землёй большого количества спутников с их последующим разрушением.
Марс имеет два небольших спутника (Фобос и Деймос), которые до сих пор сосуществуют на околомарсианских орбитах.
Венера, масса которой близка к земной, вообще не имеет спутников, как и Меркурий.
Нет объяснения идентичности изотопно-кислородного состава Луны и Земли.
Гипотеза столкновения
Одна из наиболее современных гипотез появления Луны говорит о том, что наша ближайшая соседка – это фрагмент Земли, отделившийся от нее и приобретший собственную орбиту.
На заре своего развития наша планета могла столкнуться с массивным небесным телом – протопланетой Тейя. При этом удар пришелся по касательной, от чего фрагмент Тейи вместе с участком мантии планеты выбросило на орбиту. Земля в результате удара получила резкий прирост скорости вращения (один оборот за 5 часов) и заметный наклон оси вращения.
На данный момент эту гипотезу приняли как основную.
Мнение за и против
Гипотеза хорошо объясняет все известные факты о химическом составе и строении Луны, а также и физические параметры системы Земля — Луна.
Первоначально большие сомнения вызывала возможность столь удачного соударения (косой удар, невысокая относительная скорость) такого крупного тела с Землёй. Но затем было предположено, что Тейя сформировалась на орбите Земли, в одной из точек Лагранжа системы Солнце — Земля. Такой сценарий хорошо объясняет и низкую скорость столкновения, и угол удара, и нынешнюю, почти точно круговую орбиту Земли.
Для объяснения дефицита железа на Луне приходится принимать допущение, что ко времени столкновения (4,5 млрд лет назад) и на Земле, и на Тейе уже произошла гравитационная дифференциация, то есть выделилось тяжёлое железное ядро и образовалась лёгкая силикатная мантия. Однозначных геологических подтверждений этому допущению не найдено.
Гипотеза метеоритной бомбардировки
В 2007 году физик Н. Горькавый предположил, что Земля постепенно теряла свою массу в результате астероидной бомбардировки космическими телами размером в десятки и сотни километров. Эти столкновения забросили часть вещества мантии Земли в космическое пространство, где из него образовалась Луна .
Гипотеза объясняет, откуда в лунном материале (и у полюсов Луны) вода, которая, согласно гипотезе гигантского столкновения, должна была выкипеть при мегастолкновении. Также новая гипотеза объясняет, почему после столкновения с Тейей не лишилась воды и Земля, ведь она должна была разогреться до полного выкипания океанов. При ряде малых столкновений такого нагрева планеты быть не могло, и она не могла потерять основную массу воды.
Искусственный спутник
Кроме теорий о естественном происхождении Луны выдвигались и невероятные гипотезы о его искусственном появлении.
Пустотелая Луна
Плотность спутника составляет 60% плотности Земли. На основании этого факта было выдвинуто предположение, что Луна может быть полой. В 1969 г. американские ученые провели эксперимент: было организовано падение зонда на поверхность Луны, и установленные сейсмодатчики зафиксировали сильное лунотрясение. При повторении такого эксперимента в следующих исследованиях спутник трясло в течение нескольких часов.
Кроме результатов этого исследования ученые заметили необъяснимое усиление гравитации спутника, что дало основания считать его пустотелым и сформированным в обратном направлении — от поверхности к центру.
Странные показатели
Ученые придерживаются версии искусственного создания Луны по причине различия масс Земли и ее спутника: Луна легче в 81 раз. Такие показатели нехарактерны для спутников других объектов Солнечной системы. У них и диаметр намного меньше лунного: крупнейший спутник Марса — Фобос — имеет диаметр не более 20 км, а наша Луна — 3474,2 км. Кроме этого, различаются и орбиты: Луна имеет почти ровную круговую орбиту, у спутников других планет Солнечной системы она эллиптическая.
