Как появилась Луна
Почти каждую ночь мы можем видеть на небе наш естественный спутник – Луну. Но часто ли Вы задумывались, откуда она взялась? Она освещает Землю уже миллиарды лет, а когда-то была гораздо ближе. А были ли времена, когда её не было совсем? Вопрос, как появилась Луна, очень интересен.
На самом деле однозначного ответа по этому поводу у учёных пока нет. Но есть несколько версий, наверняка одна из них окажется в итоге верной. Поэтому рассмотрим самые вероятные.
Все гипотезы сводятся к одной из трёх ситуаций:
- Земля и Луна образовались из одного протопланетного облака по отдельности.
- Земля захватила Луну, которая пролетала поблизости, но на самом деле образовалась где-то в другом месте.
- Земля столкнулась с огромным телом, возможно, другой планетой. Из выброшенного при столкновении земного вещества и обломков образовался наш спутник.
Все эти версии развития событий очень разные. Посмотрим, какая из них более близка к правде. Для этого сравним Землю и Луну в плане состава. Так можно определить, насколько правдив последний вариант.
Сходства и отличия Земли и Луны
С тех пор, как Галилео Галилей впервые увидел на Луне горы, стало ясно, что некоторое сходство с Землёй у нашего спутника есть. Тем более, там наблюдались даже «моря», которые, правда, оказались просто твёрдой пустыней. Однако у Луны с Землёй на самом деле общего довольно мало – это сходный уровень содержания в коре и мантии изотопов кислорода. Это говорит о том, что Луна и Земля образовались из одного протопланетного облака, на одном расстоянии от Солнца. Тела, образованные в других местах, сильно отличаются по этому показателю. Так что набор химических элементов в их составе более-менее похож.
Но отличий гораздо больше, как в составе, так и в строении:
- У Луны средняя плотность почти вдвое меньше земной. В основном из-за того, что Земля имеет большое металлическое ядро, которое занимает 30% веса планеты. У Луны маленькое железо — никелевое ядро, весящее менее 3% от всей массы. Кстати, плотность Луны близка к плотности земной мантии.
- На Луне гораздо меньше водорода, азота, фтора, инертных газов. Это летучие вещества, которые могли просто улетучиться в космос за миллиарды лет. А вот содержание титана, тория, урана, некоторых других тяжелых элементов, в лунной породе больше, чем в земной.
- У Луны очень толстая кора, толщиной до 80 км, то есть больше земной в несколько раз. При этом состоит она из застывшей мантии. Поэтому считается, что когда-то Луна была полностью расплавлена.
- Плоскость лунной орбиты не совпадает с земным экватором, а наклонена. Крупные спутники других планет обычно вращаются в плоскости их экваторов.
Из этого можно сделать самые разные выводы. Поэтому рассмотрим гипотезы о том, как появилась Луна, существующие сейчас.
Луна оторвалась от Земли при её быстром вращении
Это еще называется «гипотезой центробежного отделения». Суть её в том, что молодая Земля вращалась очень быстро и из-за этого сильно сплющилась. В итоге под действием центробежных сил в области экватора оторвался кусок вещества, из которого затем сформировалась Луна.
Эту версию первым выдвинул в 1878 году сын знаменитого Чарльза Дарвина – Джордж Дарвин. Она вполне считалась главной еще в начале XX века. Ученые даже посчитали, что вырванный кусок находится там, где сейчас Тихий океан, по объёму он как раз подходит.
На самом деле, чтобы такое произошло, Земля должна была вращаться очень быстро, делая полный оборот вокруг оси меньше, чем за 2 часа. Но она к настоящему времени никак не смогла бы замедлиться до нынешних 24 часов. Против этой теории говорит и геология – бассейн Тихого океана образовался всего 70 миллионов лет назад, а возраст нашего спутника — более 4 миллиардов лет. Его химический состав тоже отличается от земного.
Поэтому такая теория происхождения нашего естественного спутника ныне полностью забракована, хотя в своё время была довольно популярной.
Луна была захвачена Землёй
Это «гипотеза захвата», которая появилась в 1909 году. В её пользу говорят легенды некоторых народов. В них говорится, что были времена, когда Луны не было. Но это весьма шаткая опора, на которой, конечно, нельзя строить научную гипотезу. Других фактов, подтверждающих её, пока не найдено.
Зато против этой версии есть некоторые факты:
- Луна – довольно крупное и массивное тело. Для захвата Землей она должна была пролетать очень близко, ближе предела Роша. Но в таком случае она была бы просто искорежена мощными приливными силами и разрушена. Если бы она пролетала дальше, то или отклонилась бы и столкнулась с Землей, или планета её бы отбросила, как при гравитационном манёвре.
- Все захваченные спутники других планет движутся по ретроградной орбите – против вращения планеты. У Луны проградная орбита, она вращается в одном направлении с Землёй, как будто всегда там была.
- Если бы Луна образовалась дальше Марса, в зоне газовых гигантов, то в её составе было бы много летучих элементов – водорода, фтора, инертных газов. А их-то как раз почти нет. Но есть небольшое ядро, как у спутников планет – гигантов.
- У Луны и Земли слишком схожее содержание изотопов кислорода. При захвате Луны извне такое совпадение просто нереально.
- При Захвате у Луны была бы сильно вытянутая орбита. Но на практике она не сильно отличается от круговой.
Так что гипотеза захвата тоже выглядит маловероятной. Такую операцию мог бы провернуть, например, Юпитер, или даже Нептун. Но Земля ненамного превосходит Луну по массе, чтобы издалека затормозить её и перевести на свою орбиту. А близкий контакт закончился бы катастрофой. По крайней мере, моделирование захвата Луны не подтверждает гипотезу.
Луна и Земля образовались вместе
Это «гипотеза совместного формирования». Речь идёт о том, что Земля и Луна образовались вместе, из одного протопланетного облака. Ближе к центру туманность сжалась и получилась Земля, а на окраине из остального вещества получилась Луна.
Как ни странно, это очень старая гипотеза. Её предложил Иммануил Кант еще в 1755 году. Она прекрасно подтверждает совпадение содержания кислорода в образцах породы.
Но эта гипотеза тоже имеет много минусов. Так, непонятно различие в остальном химическом составе. Ведь, если Земля и Луна образовались из одного облака, их химический состав должен быть совершенно одинаковым. К тому же, у планеты огромное железное ядро, а спутнику досталось очень мало железа. К тому же, средняя плотность слишком разная. Наклон лунной орбиты тоже нельзя объяснить.
Так что эта теория, несмотря на кажущуюся правдоподобность, тоже имеет необъяснимые места.
Луна появилась после Земли
Это «гипотеза испарения», предложенная в 1955 году. Суть её в том, что первой образовалась Земля. Вокруг неё всё еще была масса материала из протопланетного облака, из которого камни разного размера постоянно бомбардировали Землю. Из-за этого планета разогрелась до 2000 градусов, а множество элементов из её верхних слоёв просто испарилось назад в космос, где и приняли участие в формировании Луны из остатков протопланетного облака.
Однако к моменту разогрева ядро Земли уже успело сформироваться – массивные железные породы опустились к центру. Поэтому Луне железа досталось мало.
Эта гипотеза хорошо объясняет химическое строение Луны и её отличие от Земли в этом плане. Но против неё геологические данные, которые говорят о том, что земная кора никогда не расплавлялась полностью. К тому же, не объясняются наклон лунной орбиты и другие проблемы.
Луна появилась из нескольким маленьких спутников
Мы уже рассмотрели «гипотезу захвата» и выяснили её невероятность. Земля не смогла бы захватить такое большое тело, как Луна, тем более перевести его на круговую околоземную орбиту. Но она запросто смогла бы захватить несколько мелких тел, наподобие крупных астероидов. Эти астероиды могли бы сталкиваться друг с другом на земной орбите, а потом из их обломков могло бы сформироваться одно большое тело.
Но эта гипотеза происхождения Луны имеет массу недостатков. Во-первых, она не объясняет сходство содержания кислорода. Если бы Луна образовалась из прилетевших извне астероидов, состав отличался бы очень сильно, а он более-менее схож с земным.
Во-вторых, очень маловероятно, что Земля смогла бы захватить столько астероидов, чтобы их хватило на формирование Луны. Венера за миллиарды лет ни одного не смогла захватить, а у Марса всего пара маленьких, хотя астероидный пояс рядом.
В-третьих, вряд ли все захваченные астероиды стали бы сталкиваться и формировать один спутник, тем более за короткое время. У того же Марса миллиарды лет имеются Фобос и Деймос, но сталкиваться они не собираются. У планет-гигантов десятки спутников, и они тоже не сталкиваются друг с другом.
Луна появилась из-за столкновения Земли с планетой
Такая версия появилась в 1975 году, и сейчас она считается одной из самых вероятных. Согласно ей, Луна появилась благодаря столкновению молодой Земли с другой молодой планетой – Тейей. Эта Тейя ударила Землю по касательной, из-за чего в космос было выброшено много земного вещества из мантии. Туда же попали остатки Тейи. Из этого вещества образовалась в дальнейшем Луна. Её первоначальное удаление составляло всего 60000 км.
Эта гипотеза хорошо объясняет как сходство химии Луны с Землёй, так и некоторые отличия. Так как из-за удара Земля несколько наклонилась, то это объясняет наклон лунной орбиты. Малое количество железа на Луне также можно объяснить тем, что земное вещество было выброшено из верхних слоёв и из мантии, а ядро уже было сформировано.
Чтобы эта версия стала правдоподобной, нужно допустить, что Тейя ударила Землю на небольшой скорости и по касательной. Такое возможно, если эта планета сформировалась также на земной планете, в одной из точек Лагранжа. По сути, это был близнец нашей Земли, на той же орбите.
Так как эта версия выглядит довольно правдоподобной и позволяет объяснить многие вещи, она считается основной. Но требуется еще множество исследований для её подтверждения. Ведь это столкновение, если оно было, произошло примерно 4.5 миллиардов лет назад, поэтому найти доказательства непросто. К тому же, требует объяснения такой факт – при столкновении с Тейей Земля должна была сильно разогреться и потерять всю свою воду, но этого не произошло.
Луна появилась из земного вещества, выброшенного метеоритами
Это новая версия, которая появилась в 2007 году. Согласно ей, молодая Земля подвергалась активной бомбардировке множеством метеоритов, размеры которых достигали от десятков до сотен километров. Из-за этого в космос выбрасывалось большое количество земного вещества, в том числе воды. Из этого вещества и образовалась Луна.
Такая гипотеза просто заменяет одно столкновение с большой планетой Тейей на тысячи мощных, но локальных. При этом Земля не раскалилась бы и не потеряла свою воду, что служит плюсом этой версии. К тому же, на Луне есть вода в виде льда — таким образом она вполне могла бы сохраниться.
Такая гипотеза образования Луны тоже пока является рабочей и изучается. За неё есть отдельные факты, но узких мест тоже хватает.
Так как появилась Луна?
Как видим, пока точно на этот вопрос не сможет ответить никто. Существуют разные версии, но наиболее вероятными пока выглядят две последние. Это столкновение Земли с крупной протопланетой Тейей или столкновение с множеством крупных метеоритов. В любом из этих случаев Луна образовалась в основном из земного вещества с примесью других тел, участвовавших в столкновении. Это объясняет сходство химического состава с Землёй и некоторые отличия, а также наклон лунной орбиты и быстрое вращение Земли на раннем этапе.
Конечно, на самом деле всё могло произойти не так, а как-нибудь по-другому. Но однозначно пока известно одно – Луна и Земля появились вместе, хотя и не одновременно. Луна – «кровь и плоть» Земли, а не что-то инородное, прилетевшее издалека.
Источник
Откуда взялась Луна. И почему она до сих пор остается загадкой
Ни одна другая планета не имеет такого большого спутника, как Земля. Откуда у нас появился этот странный сосед?
Луна — загадочная. Мы видим её с любой точки Земли, но всегда только одну её сторону. Она руководит морскими приливами, сексом животных и, возможно, сном людей.
Впрочем, никто не был на Луне до 1969 году. Однако и через полвека после первой высадки на ней побывали только 12 человек.
Благодаря им, а также множеству беспилотных зондов, теперь мы больше знаем о поверхности ближайшего к нам небесного тела. Несмотря на это, ученые до сих пор не имеют окончательного ответа на простой вопрос: как возникла Луна.
Или отломалась она каким-то образом от Земли? Или бродила по Солнечной системе, пока Земля не привлекла её в свою орбиту? А может, случилось что-то вообще апокалиптическое?
Галилео Галилей изучал Луну при помощи мощного телескопа
Наши предки не смогли добраться до Луны, но это не мешало им рассуждать о её происхождении.
Первые гипотезы
Первый весомый вклад сделал итальянский астроном, физик и философ Галилео Галилей. Он создал мощный телескоп, с помощью которого Луну можно было увидеть гораздо подробнее, чем раньше.
В начале XVII века Галилей показал, что поверхность Луны похожа на Землю. Она так же покрыта горами и равнинами. Это был первый намек на то, что Земля и Луна каким-то образом образовались вместе.
Следующая гипотеза возникла через целых два столетия. Сын Чарльза Дарвина Джордж предположил, что когда Земля была новой, она вращалась очень быстро. В результате часть ее оторвалась и улетела в космос, образовав Луну. На Земле остался след от этого обломка — Тихий океан.
Эту теорию особо никто не поддержал, а после Второй мировой войны появилась другая идея.
Поверхность Луны покрыта горами, равнинами и кратерами
Теория Урея
Химик Гарольд Урей предположил, что Луна прилетела из другой части галактики. Её привлекло земное притяжение, когда она проходила мимо.
В этой теории есть рациональное зерно. Для спутника планеты Луна очень большая по сравнению с Землей. Но если она образовалась в другом месте, это имеет смысл. Во-вторых, мы всегда видим только одну сторону Луны, а так бывает именно тогда, когда объект попадает в зону притяжения другого.
Некоторые ученые, однако, сомневались. Они не были уверены, что Земля могла привлечь Луну, не изменив своей орбиты. Они также предполагали, что оба тела скорее всего столкнулись бы.
Этого могло не случиться, если бы атмосфера Земли в то время была достаточно большой. Она бы сработала как гигантская подушка безопасности, замедлив движение Луны и оттолкнув её обратно в космос. Но это кажется довольно маловероятным.
Ученым была нужна теория, которая соответствовала бы нескольким важным наблюдениям. Во-первых, Луна — большая по сравнению с Землей. Во-вторых, она ускоряется, постепенно удаляясь от Земли.
Одна из гипотез утверждала, что Земля и Луна образовались вместе из гигантского диска материи, вращающейся вокруг черной дыры.
Впрочем, ее быстро опровергли. Эта теория не объясняла скорость, с которой Луна вращается вокруг Земли. Кроме того, астрономы подсчитали, что плотность Луны в полтора раза меньше Земли, то есть вряд ли они могли образоваться из одного аккреционного диска.
Наконец, нет и никаких признаков существования черной дыры.
Астронавт Джон В. Янг на Луне во время миссии «Аполлон-16»
Теория Урея оставалась ведущей в течение 1960-х годов, когда США начали готовить первый пилотируемый полет на Луну. Если Урей прав, Луна должна иметь другой химический состав, чем Земля.
Чтобы проверить это, астронавты «Аполлона» должны были привезти на Землю образцы лунной породы. Когда они это сделали, все имеющиеся теории происхождения Луны разлетелись вдребезги.
Первой потерпела поражение теория скола Джорджа Дарвина. Образцы пород показали, что Луна гораздо старше дна Тихого океана, из которого он должен походить.
Теория захвата Урея также оказалась ложной.
Образец лунной породы, который привезли астронавты «Аполлона-15″
Ко всеобщему удивлению, химический состав лунного грунта оказался почти идентичным грунту Земли. И следовательно, предположение Урея, что Луна и Земля образовались далеко друг от друга, было маловероятным.
Образцы также показали, что Луна образовалась примерно на 29 млн лет позже, чем другие подобные объекты Солнечной системы.
Похоже, что начало её истории было огненным. Темные участки её поверхности позволяют предположить, что когда-то она была охвачена глубоким океаном жидкой магмы.
Ни одна из существующих на тот момент теорий происхождения Луны не совпадала с новыми данными. Миссия «Аполлона» вызвала «глубокое смятение» в науке, отметил исследователь Джей Мелош из Университета Пердью в городе Уэст-Лафайетт.
Гипотеза ударного формирования Луны
В 1975 году, через три года после последнего полета «Аполлона», была выдвинута новая идея. Гипотеза ударного формирования Луны, как ее стали называть, была чрезвычайно драматичной.
Когда Солнечная система формировалась 4,5 миллиарда лет назад, вокруг нее летали разнообразные космические обломки. Как предполагают Уильям Гартман и Дональд Дэвис из Института планетарных наук в Таксоне, в штате Аризона, один из них попал в Землю.
Очевидно, это был очень большой обломок, возможно, размером с Марс, масса которого равна одной десятой Земли.
Эта гипотетическая планета, которую назвали Тея, как в бильярде, нанесла мощный удар в сторону Земли.
В результате удара часть внешнего слоя Земли отделилась и образовала гигантский расплавленный шар. Шар ярко горел, охватив примерно треть земного неба, пока не остыл и не удалился.
Столкновение Земли и Теи смоделировали на компьютере, и оно выглядит очень правдоподобным. Во-первых, эта гипотеза объясняет, почему железное ядро Луны примерно вдвое меньше земного. Ядро Теи слилось с Землей, поэтому Луне не осталось много.
Она также объясняет, почему Луна имеет так мало «летучих веществ», элементов, которые легко испаряются в газы. Энергия, которая высвободилась при столкновении, выбросила их в космос.
Наконец, относительные размеры Земли и Теи могут объяснить скорость орбиты Луны.
Вот почему Алекс Халлидей из Оксфордского университета называет эту гипотезу «лучшей из худших». Но и в ней тоже остаются слабые места.
Одно из них — то самое, которое разрушило теорию Урея: Земля и Луна очень похожи химически.
Большинство химических элементов имеют тонкие вариации — изотопы. Каждый атом состоит из трех типов частиц: протонов, электронов и нейтронов.
Каждый атом определенного элемента должен иметь одинаковое количество протонов и электронов, но количество нейтронов может меняться, создавая изотопы.
Изотопы выполняют роль своеобразного химического оттиска. Если вам надо выяснить происхождение некоторого материала, изучение смеси изотопов, которую он содержит, поможет это сделать.
Молодая Земля и Луна были очень горячими
В случае с лунной породой, часть изотопов должна походить с Земли, а часть — с Теи, и следовательно, изотопный состав должен содержать нечто среднее между двумя. Но на самом деле он практически такой же, как и у Земли.
Если Тея была, она не оставила следа на Луне.
Это — основная проблема гипотезы ударного формирования Луны.
Изотопы вольфрама и кремния в первую очередь важны, потому что они образуются при формировании планетарного ядра.
«У каждой планеты своя история формирования ядра, а потому эти изотопы предполагают, что Луна происходит именно из атомов Земли», — объясняет Халлидей.
Мелош называет этот вывод «изотопным кризисом». Однако гипотезу ударного формирования Луны она не опровергает полностью.
Самое простое объяснение состоит в том, что Тея случайным образом имела такой же изотопный след, как и Земля, возможно потому, что образовалась неподалеку.
Однако моделирование ранней Солнечной системы предположило, что вероятность этого составляет менее 1%.
В Солнечной системе нет других известных тел с таким же изотопным составом, как Земля и Луна. Ученые хотели бы получить образцы пород с Венеры и Меркурия, чтобы увидеть, есть ли у них похожие изотопы, но когда это станет возможным, неизвестно.
В противном случае, удар мог быть таким мощным, что Тея и Земля расплавились, а их атомы смешались между собой. Это могло бы объяснить, почему Земля и Луна так похожи, но было ли столкновение таким катастрофическим, неизвестно.
Также предполагают, что тело, которое врезалось в Землю, состояло преимущественно из льда. Таких ледяных шаров достаточно много во внешней Солнечной системе, и они могли обстреливать Землю с высокой скоростью.
Но даже тогда Луна только на 73% состояла бы из земных атомов, чего недостаточно для объяснения изотопов.
Проблема в том, что Тея должна была нанести Земле скользящий удар, иначе Луна оказалась бы на другой орбите, но такой боковой удар противоречит тому, что показывают изотопы.
Возможно, Тея и не нанесла боковой удар. В 2012 Матия Чук и Сара Стюарт из Гарвардского университета в Кембридже, в штате Массачусетс, пришли к выводу, как это могло произойти.
Они предположили, что Земля уже вращалась очень быстро, когда Тея ударилась об нее. Если Земля крутилась стремительно, импульса от удара было достаточно, чтобы отправить Луну на правильную орбиту.
Необходимости в скользящем ударе не было: Тея могла столкнуться с Землей лоб в лоб.
Это означает, что Тея могла быть меньше, чем считалось ранее, примерно 2% от массы Земли. Это также означает, что Луна образовалась в основном из земной материи.
Эта гипотеза «выбила почву из-под ног всех теорий», — говорит Мелош.
Современные исследования происхождения луны
В апреля 2015 года появилось еще больше доказательств в подтверждение гипотезы ударного формирования.
Алессандра Мастробуоно-Баттисты из Израильского технологического института в Хайфе и ее коллеги провели более подробную симуляцию объектов, которые кружили вокруг в ранней Солнечной системе.
Они обнаружили, что космические тела, которые врезались в планеты, были гораздо более похожими на сами планеты, чем считалось ранее. Вероятность того, что Тея и Земля были похожими повысились с 1% до 20%.
И хотя шансы все еще небольшие, объяснить удивительное сходство Земли и Луны становится немного легче.
Впрочем, работа не завершена. «Нам все еще не хватает некоторых звеньев», — говорит Стюарт.
Теперь большинство исследователей считают, что окончательная версия будет все же основываться на гипотезе ударного формирования, но для убедительного объяснения сходства изотопов нужны некоторые данные.
Луна образовалась из обломков, выброшенных в космос Теей
Самое сложное изобрести теорию, в которой каждый аспект Земли и Луны выглядел бы правдоподобно. Теории, которые требуют, чтобы Тея имела определенную массу, или удар был только под определенным углом, вызывают сомнения.
Впрочем, именно в этом и есть причина такого интереса к происхождению Луны — она необычная.
Возможно, мы и не должны удивляться, что её происхождение отчасти было чистой случайностью.
Источник