Луна гипотеза гигантского столкновения

Теория гигантского столкновения

Эту страницу предлагается переименовать в Гипотеза гигантского столкновения.

Не снимайте пометку о выставлении на переименование до окончания обсуждения.
Дата постановки — 26 апреля 2012.

В этой статье не хватает ссылок на источники информации.

Тео́рия гига́нтского столкнове́ния (англ. Giant impact hypothesis , употребляется также термин «Модель мегаимпакта» [1] [2] ) — в настоящее время господствующая теория формирования Луны 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 [3] .

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».

Содержание

Сценарий столкновения

4,533 миллиарда лет назад, вскоре после формирования, Земля столкнулась с протопланетой Тейя — близкой по размеру к Марсу [источник не указан 638 дней] (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 [источник не указан 638 дней] .

Свидетельствуют о таком столкновении собранные экипажами космических аппаратов «Аполлон» образцы лунных пород, которые по составу изотопов кислорода почти идентичны веществу земной мантии [источник не указан 638 дней] . 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.

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 [источник не указан 103 дня] .

См. также

Происхождение Луны — сравнительный обзор выдвигавшихся гипотез происхождения Луны.

Источник

Модель ударного формирования Луны

Из Википедии — свободной энциклопедии

Модель ударного формирования Луны (употребляется также термин «Модель мегаимпакта» [1] [2] , «Гигантское столкновение» (от англ. Giant impact ) и т. д.) — распространённая гипотеза формирования Луны. Согласно этой модели, Луна возникла в результате столкновения молодой Земли и объекта, по размерам сходного с Марсом [3] . Этот гипотетический объект иногда называют Тейя в честь одной из сестёр-титанид, матери Гелиоса, Эос и Селены (луны).

В пользу этой гипотезы свидетельствуют бедность Луны летучими элементами, маленький размер её ядра из сернистого железа, соображения, связанные с моментом импульса системы Земля — Луна [3] , образцы лунного грунта, указывающие на то, что поверхность Луны когда-то была расплавленной, 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.

Данные, полученные в рамках программы «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 [4] .

Впервые теорию гигантского столкновения выдвинули Уильям К. Хартманн ( англ. ) и Дональд Р. Дэвис ( англ. ) в 1975 году в статье [5] , напечатанной в журнале «Icarus».

Источник

Гипотеза гигантского столкновения.

Среди всех внутренних планет Солнечной системы Земля единственная имеет крупный спутник. Происхождение Луны — одна из древнейших загадок астрономии, однако многие планетологи сегодня считают ее наконец-то решенной. Сначала вопрос стоял следующим образом: почему средняя плотность лунного вещества в 1,5 с лишним раза ниже средней плотности земного при практически одинаковом химическом составе того и другого (3,6 против 5,5 ед. плотности воды)? После того как был получен ответ, согласно которому причина такого несоответствия заключается в отсутствии у Луны, в отличие от Земли, плотного раскаленного железного ядра, вопрос встал по-другому: почему столь схожие по составу небесные тела — Земля и Луна — имеют столь различную внутреннюю структуру?

Согласно гипотезе газопылевого облака, планетные тела образуются из околозвездного вещества, распределенного в плоскости околосолнечной дисковой туманности, и, как следствие, должны обладать приблизительно одним и тем же химическим составом. Первоначальные теории происхождения Луны можно условно подразделить на две категории: теории захвата и приливные теории.

Первая и самая древняя из них подразумевала, что Луна представляет собой независимо сформировавшуюся в Солнечной системе планету, оказавшуюся в непосредственной близости от Земли и захваченную ею в качестве спутника. Однако эта теория не выдерживает сегодня никакой критики, поскольку динамика процесса захвата, в результате которого тело, двигавшееся по независимой гелиоцентрической орбите вокруг Солнца, могло бы перейти на геоцентрическую и практически круговую орбиту вокруг Земли, противоречит всем известным физическим законам.

Конкурирующая приливная теория предполагала, что Земля в далеком прошлом вращалась вокруг своей оси значительно быстрее, чем сегодня, в результате чего на поверхности планеты возбуждались мощные центробежные силы, под воздействием которых (согласно большинству приливных теорий, их действие было усугублено гравитационным воздействием пролетавшего в непосредственной близости от Земли крупного небесного тела) от нашей планеты оторвался крупный кусок, который и оказался, в конечном итоге, на стационарной орбите вокруг Земли. Выдвигались даже гипотезы, будто Тихоокеанская впадина на поверхности Земли представляет собой «послеродовую травму», понесенную нашей планетой в результате рождения Луны.

Исследования химического состава лунного вещества, однако, опровергают обе вышеописанные гипотезы. С одной стороны, Луна слишком близка к Земле по своему химическому составу, чтобы сформироваться вдали от нашей планеты; с другой — недостаточно близка, чтобы быть ее осколком.

В последние десятилетия ХХ века, однако, появилась и еще одна гипотеза, завоевавшая достаточное признание в научных кругах. На раннем этапе формирования Солнечной системы Земля и другие недавно сформировавшиеся планетные тела, будучи, по сути, еще практически целиком жидкими и состоящими из магмы современных геологических пород, подвергались интенсивной бомбардировке множеством более мелких новообразовавшихся тел размером с современные крупные астероиды. Кинетическая энергия падающих на Землю тел была столь высока, что, преобразуясь в тепловую, она поддерживала земное вещество в расплавленном состоянии, в результате чего и происходила его дальнейшая дифференциация: тяжелые железо и никель тонули в направлении центра Земли и формировали ее ядро, а более легкие вещества, шлаки и соли всплывали, образуя мантию и прообраз горных пород будущей земной коры (см.Тектоника плит). Именно на этой стадии или несколько позже, пока земная кора еще до конца не оформилась, в Землю врезалось небесное тело размером не меньше Марса. В результате этого катаклизма на околоземную орбиту оказалось буквально выплеснуто значительное количество вещества земной мантии и коры, из которых вскоре и сформировалась Луна.

Эта теория, получившая название гипотезы гигантского столкновения(а неформально — гипотезы большого выплеска), объясняет и низкую плотность лунного вещества, и близость его химического состава к химическому составу вещества земной коры и мантии, поскольку земное ядро гигантским столкновением затронуто не было и на орбиту не попало. Решающие доводы в пользу этой гипотезы поступили на Землю вместе с образцами лунного грунта, доставленными американскими астронавтами из лунных экспедиций на борту «Аполлонов». В результате анализа соотношения различных изотопов кислорода (см.Радиоактивный распад) в них удалось установить точное совпадение возраста лунных и земных минералов

Источник

Гипотеза гигантского удара — Giant-impact hypothesis

Гипотеза гигантского удара , иногда называемая Большим Всплеском или Удар Тейи , предполагает, что Луна образовалась в результате столкновения между протоземлей и планетой размером с Марс примерно 4,5 миллиарда лет назад в Хадейском эоне. (примерно через 20–100 миллионов лет после объединения Солнечной системы ). Столкнувшееся тело иногда называют Тейей , по имени мифического греческого Титана, который был матерью Селены , богини Луны. Анализ лунных горных пород, опубликованный в отчете за 2016 год, предполагает, что удар мог быть прямым попаданием, вызвав полное смешение обоих родительских тел.

Гипотеза гигантского воздействия в настоящее время Одобренный научная гипотеза для формирования Луны . Подтверждающие доказательства включают:

• Вращение Земли и орбита Луны имеют схожую ориентацию.
• Система Земля – Луна имеет аномально высокий угловой момент. Это означает, что импульс, содержащийся во вращении Земли, вращении Луны и вращения Луны вокруг Земли, значительно выше, чем у других планет земной группы. Гигантский удар мог дать этот избыточный импульс.
• Образцы Луны показывают, что когда-то Луна была расплавлена на значительную, но неизвестную глубину. Возможно, для этого потребовалось больше энергии, чем предполагалось, от аккреции тела размером с Луну. Эту энергию мог дать чрезвычайно энергичный процесс, такой как гигантский удар.
• У Луны относительно небольшое железное ядро . Это дает Луне более низкую плотность, чем Земля. Компьютерные модели гигантского столкновения тела размером с Марс с Землей показывают, что ядро ​​ударного элемента, скорее всего, проникнет в Землю и соединится с собственным ядром. Это оставит на Луне меньше металлического железа, чем на других планетных телах.
• Луна обеднена летучими элементами по сравнению с Землей. Испаряясь при сравнительно более низких температурах, они могли быть потеряны в результате высокоэнергетического события, так как меньшая гравитация Луны не могла вернуть их, в то время как Земля это сделала.
• Есть свидетельства аналогичных столкновений в других звездных системах, в результате которых образовывались диски обломков .
• Столкновения гигантов согласуются с ведущей теорией образования Солнечной системы .
• Соотношения стабильных изотопов в лунных и земных породах идентичны, что предполагает общее происхождение.

Однако остается несколько вопросов относительно лучших современных моделей гипотезы гигантского удара. Энергия такого гигантского удара, по прогнозам, нагреет Землю, чтобы произвести глобальный океан магмы , и были задокументированы доказательства результирующей планетарной дифференциации более тяжелого материала, погружающегося в мантию Земли. Однако не существует самосогласованной модели, которая начиналась бы с события гигантского столкновения и отслеживала бы эволюцию обломков в единую луну. Другие оставшиеся вопросы включают в себя, когда Луна потеряла свою долю летучих элементов и почему Венера, которая испытала гигантские удары во время своего формирования, не имеет подобной Луны.

СОДЕРЖАНИЕ

История

В 1898 году Джордж Дарвин предположил, что Земля и Луна когда-то были единым телом. Гипотеза Дарвина заключалась в том, что расплавленная Луна была закручена с Земли из-за центробежных сил , и это стало доминирующим академическим объяснением. Используя ньютоновскую механику, он подсчитал, что в прошлом Луна вращалась гораздо ближе по орбите и отдалялась от Земли. Этот дрейф был позже подтвержден американскими и советскими экспериментами с использованием лазерных целей, размещенных на Луне.

Тем не менее, расчеты Дарвина не могли решить механику, необходимую для прослеживания Луны назад к поверхности Земли. В 1946 году Реджинальд Олдворт Дейли из Гарвардского университета оспорил объяснение Дарвина, скорректировав его так, чтобы постулировать, что создание Луны было вызвано ударами, а не центробежными силами. Мало внимания уделялось задаче профессора Дейли до конференции по спутникам в 1974 г., во время которой эта идея была вновь представлена, а затем опубликована и обсуждена в Icarus в 1975 г. доктором. Уильям К. Хартманн и Дональд Р. Дэвис . Их модели предполагали, что в конце периода формирования планет сформировалось несколько тел размером со спутник, которые могли столкнуться с планетами или быть захваченными. Они предположили, что один из этих объектов мог столкнуться с Землей, выбрасывая тугоплавкую, бедную летучими веществами пыль, которая могла объединиться, образуя Луну. Это столкновение могло потенциально объяснить уникальные геологические и геохимические свойства Луны.

Похожий подход был использован канадским астрономом Аластером Кэмероном и американским астрономом Уильямом Р. Уордом , которые предположили, что Луна образовалась в результате касательного удара о Землю тела размером с Марс. Предполагается, что большая часть внешних силикатов сталкивающегося тела испарится, а металлическое ядро ​​- нет. Следовательно, большая часть столкновительного материала, отправляемого на орбиту, будет состоять из силикатов, в результате чего сливающаяся Луна будет испытывать дефицит железа. Более летучие материалы, которые были выброшены во время столкновения, вероятно, вырвутся из Солнечной системы, тогда как силикаты будут иметь тенденцию сливаться.

За восемнадцать месяцев до конференции по происхождению Луны в октябре 1984 года Билл Хартманн, Роджер Филлипс и Джефф Тейлор бросили вызов коллегам-лунным ученым: «У вас есть восемнадцать месяцев. Вернитесь к своим данным Аполлона, вернитесь к своему компьютеру, делайте все, что вам нужно. , но решайтесь. Не приходите на нашу конференцию, если вам нечего сказать о рождении Луны «. На конференции 1984 года в Коне, Гавайи, гипотеза гигантского удара стала наиболее популярной.

Перед конференцией были сторонники трех «традиционных» теорий, плюс несколько человек, которые начали серьезно относиться к гигантскому удару, и была огромная апатичная середина, которая не думала, что дебаты когда-либо разрешатся. После этого, по сути, было всего две группы: гигантский ударный лагерь и агностики.

Theia

Название предполагаемой протопланета происходят от мифического греческого титана Theia / θ ˙I ə / , родившей Луна богини Селены . Это обозначение было первоначально предложено английским геохимиком Алексом Холлидеем в 2000 году и стало общепринятым в научном сообществе. Согласно современным теориям образования планет, Тейя была частью популяции тел размером с Марс, существовавших в Солнечной системе 4,5 миллиарда лет назад. Одна из привлекательных особенностей гипотезы гигантского удара состоит в том, что формирование Луны и Земли совмещается; Считается, что в ходе своего формирования Земля пережила десятки столкновений с телами размером с планету. Столкновение с формированием Луны было бы лишь одним из таких «гигантских столкновений», но, безусловно, последним значительным ударным событием. Late Heavy Бомбардировка намного меньших астероидов произошло позже — примерно 3,9 миллиарда лет назад.

Базовая модель

Астрономы считают, что столкновение между Землей и Тейей произошло примерно в 4,4–4,45 млрд лет назад ; примерно через 0,1 миллиарда лет после начала формирования Солнечной системы . С астрономической точки зрения, удар должен был иметь умеренную скорость. Считается, что Тейя ударила Землю под косым углом, когда Земля почти полностью сформировалась. Компьютерное моделирование этого сценария «позднего столкновения» предполагает, что начальная скорость ударника на бесконечности ниже 4 км / с (2,5 миль / с), возрастающая по мере падения до более 9,3 км / с (5,8 миль / с) при ударе, и угол удара около 45 °. Однако обилие изотопов кислорода в лунных породах предполагает «энергичное перемешивание» Тейи и Земли, что указывает на крутой угол столкновения. Железное ядро Тейи погрузилось бы в ядро ​​молодой Земли, и большая часть мантии Тейи аккрецировалась на мантии Земли. Однако значительная часть мантийного материала как с Тейи, так и с Земли была бы выброшена на орбиту вокруг Земли (если выбрасывается со скоростями между орбитальной скоростью и скоростью убегания ) или на отдельные орбиты вокруг Солнца (если выбрасывается с более высокими скоростями). Моделирование выдвинуло гипотезу о том, что материал на орбите вокруг Земли мог срастаться с образованием Луны в трех последовательных фазах; сначала аккреция от тел, изначально присутствующих за пределами предела Роша Земли , что ограничивало материал внутреннего диска в пределах предела Роша. Внутренний диск медленно и вязко распространился обратно до предела Роша Земли, продвигаясь вдоль внешних тел посредством резонансных взаимодействий. Спустя несколько десятков лет диск расширился за предел Роша и начал производить новые объекты, которые продолжали рост Луны, пока внутренний диск не истощился по массе через несколько сотен лет. Таким образом, материал на стабильных кеплеровских орбитах, вероятно, через некоторое время попадет в систему Земля – Луна (поскольку орбита Кеплера вокруг Солнца в системе Земля – Луна также остается стабильной). Оценки, основанные на компьютерном моделировании такого события, показывают, что около двадцати процентов первоначальной массы Тейи превратилось бы в кольцо из обломков, вращающееся вокруг Земли, и примерно половина этого вещества объединилась в Луну. Земля получила бы значительное количество углового момента и массы от такого столкновения. Независимо от скорости и наклона вращения Земли до столкновения, она пережила бы день спустя примерно пять часов после столкновения, и экватор Земли и орбита Луны стали бы копланарными .

Не весь материал кольца нужно было сразу сметать: утолщенная кора на обратной стороне Луны предполагает возможность того, что вторая луна диаметром около 1000 км (620 миль) образовалась в точке Лагранжа Луны. Меньшая луна могла оставаться на орбите десятки миллионов лет. Поскольку две луны мигрировали наружу от Земли, солнечные приливные эффекты сделали бы орбиту Лагранжа нестабильной, что привело бы к столкновению с медленной скоростью, которое «обрушило» меньшую луну на то, что сейчас является обратной стороной Луны, добавив материала к ее коре. . Лунная магма не может пробить толстую кору на противоположной стороне, вызывая меньшее количество лунных морей , в то время как на ближней стороне есть тонкая кора, отображающая большие моря, видимые с Земли.

Состав

В 2001 году группа из Вашингтонского института Карнеги сообщила, что камни из программы « Аполлон» несли изотопную сигнатуру, которая была идентична скалам с Земли и отличалась от почти всех других тел в Солнечной системе.

В 2014 году группа ученых из Германии сообщила, что образцы Аполлона имели несколько отличную от земных пород изотопную сигнатуру. Разница была небольшой, но статистически значимой. Одно из возможных объяснений состоит в том, что Тейя образовалась недалеко от Земли.

Эти эмпирические данные, показывающие близкое сходство состава, могут быть объяснены только стандартной гипотезой гигантского удара как крайне маловероятное совпадение, когда два тела до столкновения каким-то образом имели схожий состав. Однако в науке очень низкая вероятность ситуации указывает на ошибку в теории, поэтому усилия были сосредоточены на модификации теории, чтобы лучше объяснить тот факт, что Земля и Луна состоят из почти одного типа горных пород.

Гипотеза равновесия

В 2007 году исследователи из Калифорнийского технологического института показали, что вероятность того, что Тейя будет иметь идентичную изотопную подпись, что и Земля, была очень мала (менее 1 процента). Они предположили, что после гигантского удара, когда Земля и прото-лунный диск были расплавлены и испарены, два резервуара были связаны общей атмосферой силикатного пара и что система Земля-Луна стала гомогенизированной за счет конвективного перемешивания, в то время как система существовала в виде сплошной жидкости. Такое «уравновешивание» между Землей после столкновения и прото-лунным диском — единственный предложенный сценарий, который объясняет изотопное сходство скал Аполлона с породами из недр Земли. Однако для того, чтобы этот сценарий был жизнеспособным, прото-лунный диск должен просуществовать около 100 лет. Работа над тем, чтобы определить, возможно ли это, продолжается.

Гипотеза прямого столкновения

Согласно исследованию (2012 г.) для объяснения схожего состава Земли и Луны на основе моделирования в Бернском университете, проведенного физиком Андреасом Рейфером и его коллегами, Тейя столкнулась непосредственно с Землей, а не едва ударила по ней. Скорость столкновения могла быть выше, чем предполагалось изначально, и эта более высокая скорость могла полностью уничтожить Тейю. В соответствии с этой модификацией состав Theia не так ограничен, что позволяет составить до 50% водяного льда.

Гипотеза синестии

Одна из попыток в 2018 году гомогенизировать продукты столкновения заключалась в том, чтобы активировать основное тело за счет большей скорости вращения перед столкновением. Таким образом, из первичного тела будет выделено больше материала, чтобы сформировать Луну. Дальнейшее компьютерное моделирование показало, что наблюдаемый результат может быть получен при очень быстром вращении предземного тела, настолько сильного, что оно сформировало новый небесный объект, получивший название « синестия ». Это нестабильное состояние, которое могло быть вызвано еще одним столкновением, чтобы вращение вращалось достаточно быстро. Дальнейшее моделирование этой переходной структуры показало, что первичное тело, вращающееся как объект в форме пончика (синестия), существовало около века (очень короткое время), прежде чем оно остыло и породило Землю и Луну.

Гипотеза земного магматического океана

Другая модель, созданная в 2019 году, чтобы объяснить сходство составов Земли и Луны, утверждает, что вскоре после образования Земли она была покрыта морем горячей магмы , а падающий объект, вероятно, был сделан из твердого материала. Моделирование предполагает, что это приведет к тому, что магма будет нагрета гораздо сильнее, чем твердые тела, от ударяющего объекта, что приведет к выбросу большего количества материала из прото-Земли, так что около 80% образующих Луну обломков происходят из прото-Земли. . Многие предыдущие модели предполагали, что 80% Луны исходит от импактора.

Свидетельство

Косвенное свидетельство сценария гигантского удара прибывает из камней, собранных во время высадки Аполлона на Луну , которые показывают соотношение изотопов кислорода , почти идентичное таковому на Земле. Сильно анортозитный состав лунной коры, а также существование образцов, богатых KREEP , позволяют предположить, что большая часть Луны когда-то была расплавленной; и сценарий гигантского удара мог легко обеспечить энергию, необходимую для образования такого магматического океана . Несколько линий доказательств показывают, что если у Луны есть богатое железом ядро, оно должно быть маленьким. В частности, средняя плотность, момент инерции, характер вращения и реакция магнитной индукции Луны предполагают, что радиус ее ядра составляет менее примерно 25% от радиуса Луны, в отличие от примерно 50% для большей части Луны. другие земные тела. Соответствующие условия удара, удовлетворяющие ограничениям по угловому моменту системы Земля-Луна, дают Луну, сформированную в основном из мантии Земли и ударного элемента, в то время как ядро ​​ударного элемента срастается с Землей. Земля имеет самую высокую плотность из всех планет Солнечной системы; поглощение сердцевиной ударного тела объясняет это наблюдение, учитывая предполагаемые свойства ранней Земли и Тейи.

Сравнение изотопного состава цинка лунных образцов с образцами горных пород Земли и Марса является дополнительным доказательством гипотезы удара. Цинк сильно фракционируется, когда улетучивается в горных породах планеты, но не во время обычных магматических процессов, поэтому содержание цинка и изотопный состав могут различать два геологических процесса. Лунные породы содержат больше тяжелых изотопов цинка и в целом меньше цинка, чем соответствующие вулканические породы Земли или Марса, что согласуется с тем, что цинк истощается с Луны в результате испарения, как и ожидалось для происхождения гигантского удара.

Столкновения между выбросами, покидающими гравитацию Земли, и астероидами оставили бы следы нагрева в каменных метеоритах; Анализ, основанный на предположении о существовании этого эффекта, использовался для определения даты столкновения 4,47 миллиарда лет назад, что согласуется с датой, полученной другими способами.

Теплая пыль, богатая кремнеземом, и обильный газ SiO, продукты высокоскоростных столкновений — более 10 км / с (6,2 миль / с) — между скалистыми телами, были обнаружены космическим телескопом Спитцера вокруг близлежащего (на расстоянии 29 пк ) молодого (

12 Моя старая) звезда HD 172555 в движущейся группе Beta Pictoris . Пояс теплой пыли в зоне между 0,25 а.е. и 2 а.е. от молодой звезды HD 23514 в скоплении Плеяд кажется похожим на предсказанные результаты столкновения Тейи с зародышевой Землей, и был интерпретирован как результат столкновения объектов размером с планету. друг с другом. Аналогичный пояс теплой пыли был обнаружен вокруг звезды BD + 20 ° 307 (HIP 8920, SAO 75016).

Трудности

Эта гипотеза лунного происхождения имеет некоторые трудности, которые еще предстоит решить. Например, гипотеза гигантского удара подразумевает, что поверхностный океан магмы образовался бы после удара. Однако нет никаких доказательств того, что на Земле когда-либо был такой океан магмы, и вполне вероятно, что существует материал, который никогда не обрабатывался в океане магмы.

Состав

Необходимо устранить ряд композиционных несоответствий.

• Соотношения летучих элементов Луны не объясняются гипотезой гигантского удара. Если гипотеза гигантского удара верна, эти отношения должны быть вызваны какой-то другой причиной.
• Присутствие летучих веществ, таких как вода, захваченная лунными базальтами, и выбросы углерода с поверхности Луны труднее объяснить, если Луна была вызвана высокотемпературным ударом.
• Содержание оксида железа (FeO) (13%) Луны, промежуточное между Марсом (18%) и земной мантией (8%), исключает большую часть источника прото-лунного материала из мантии Земли.
• Если основная часть прото-лунного материала пришла из ударного элемента, Луна должна быть обогащена сидерофильными элементами, тогда как на самом деле они недостаточны.
• Изотопные отношения кислорода на Луне практически идентичны таковым на Земле. Отношения изотопов кислорода, которые можно измерить очень точно, дают уникальную и отличную сигнатуру для каждого тела Солнечной системы. Если бы существовала отдельная протопланета Тейя , она, вероятно, имела бы другую изотопную подпись кислорода, чем Земля, как и выброшенный смешанный материал.
• Соотношение изотопов титана на Луне ( 50 Ti / 47 Ti) кажется настолько близким к земному (в пределах 4 частей на миллион), что небольшая часть массы сталкивающегося тела, вероятно, могла быть частью Луны.

Отсутствие луны Венеры

Если Луна образовалась в результате такого удара, вполне возможно, что другие внутренние планеты также могли подвергнуться аналогичным ударам. Маловероятно, что Луна, образовавшаяся вокруг Венеры в результате этого процесса, сбежит. Если бы такое событие формирования луны произошло там, возможное объяснение того, почему на планете нет такой луны, могло бы заключаться в том, что произошло второе столкновение, которое противодействовало угловому моменту от первого удара. Другая возможность состоит в том, что сильные приливные силы от Солнца будут иметь тенденцию дестабилизировать орбиты лун вокруг близких планет. По этой причине, если бы медленная скорость вращения Венеры началась в начале ее истории, любые спутники диаметром более нескольких километров, вероятно, свернули бы внутрь и столкнулись бы с Венерой.

Моделирование хаотического периода формирования планет земной группы предполагает, что столкновения, подобные тем, которые предположительно образовали Луну, были обычным явлением. Для типичных планет земной группы с массой от 0,5 до 1 массы Земли такое столкновение обычно приводит к тому, что одна луна содержит 4% массы планеты-хозяина. Наклон полученной орбиты Луны случайный, но этот наклон влияет на последующую динамическую эволюцию системы. Например, некоторые орбиты могут привести к тому, что Луна вернется к планете по спирали. Точно так же близость планеты к звезде также повлияет на орбитальную эволюцию. В итоге получается, что вызванные ударами спутники с большей вероятностью выживут, если они вращаются вокруг более далеких планет земной группы и выровнены с планетной орбитой.

Возможное происхождение Тейи

В 2004 году математик из Принстонского университета Эдвард Белбруно и астрофизик Дж. Ричард Готт III предположили, что Тейя слилась в лагранжевой точке L ₄ или L ₅ относительно Земли (примерно на той же орбите и примерно на 60 ° вперед или назад), как троян. астероид . Двумерные компьютерные модели предполагают, что стабильность предполагаемой троянской орбиты Тейи будет нарушена, если его растущая масса превысит порог примерно в 10% массы Земли (массы Марса). В этом сценарии гравитационные возмущения планетезималей заставили Тейю отклониться от своего стабильного лагранжевого положения, и последующие взаимодействия с протоземлей привели к столкновению между двумя телами.

В 2008 году были представлены доказательства, свидетельствующие о том, что столкновение могло произойти позже, чем принятое значение 4,53 Гя , примерно при 4,48 Гя. Сравнение компьютерного моделирования в 2014 году с измерениями содержания элементов в мантии Земли показало, что столкновение произошло примерно через 95 млн лет после образования Солнечной системы.

Было высказано предположение, что в результате удара могли быть созданы другие значительные объекты, которые могли остаться на орбите между Землей и Луной, застряв в точках Лагранжа. Такие объекты могли оставаться в системе Земля-Луна до 100 миллионов лет, пока гравитационные толчки других планет не дестабилизировали систему в достаточной степени, чтобы освободить объекты. Исследование, опубликованное в 2011 году, показало, что последующее столкновение Луны с одним из этих меньших тел вызвало заметные различия в физических характеристиках двух полушарий Луны. Моделирование подтвердило, что это столкновение произошло с достаточно низкой скоростью, чтобы не образовался кратер; вместо этого материал меньшего тела распространился бы по Луне (в том, что стало бы ее обратной стороной ), добавив толстый слой коры высокогорья. Полученные в результате неоднородности массы впоследствии вызовут градиент силы тяжести, который приведет к приливной блокировке Луны, так что сегодня с Земли остается видимой только ближняя сторона. Однако картографирование миссии GRAIL исключило этот сценарий.

В 2019 году команда из Университета Мюнстера сообщила, что изотопный состав молибдена ядра Земли происходит из внешних источников Солнечной системы, вероятно, доставляя воду на Землю. Одно из возможных объяснений состоит в том, что Тейя возникла во внешней Солнечной системе.

Альтернативные гипотезы

Другие механизмы, которые предлагались в разное время для происхождения Луны, заключаются в том, что Луна отделилась от расплавленной поверхности Земли под действием центробежной силы ; что он образовался где-то еще и впоследствии был захвачен гравитационным полем Земли; или что Земля и Луна образовались в одно и то же время и в одном месте из одного и того же аккреционного диска . Ни одна из этих гипотез не может объяснить высокий угловой момент системы Земля – Луна.

Другая гипотеза приписывает формирование Луны столкновению с Землей большого астероида намного позже, чем считалось ранее, создавая спутник в основном из обломков с Земли. Согласно этой гипотезе, формирование Луны происходит через 60–140 миллионов лет после образования Солнечной системы. Раньше считалось, что возраст Луны составляет 4,527 ± 0,010 миллиарда лет. Удар в этом сценарии создал бы океан магмы на Земле и на протолуне, причем оба тела разделяли общую плазменную атмосферу паров металлов. Общий мост из металлического пара позволил бы материалу с Земли и прото-Луны обмениваться и уравновешиваться в более общий состав.

Еще одна гипотеза предполагает, что Луна и Земля сформировались вместе, а не по отдельности, как предполагает гипотеза гигантского удара. Эта модель, опубликованная в 2012 году Робином М. Канупом , предполагает, что Луна и Земля образовались в результате массового столкновения двух планетных тел, каждое из которых больше Марса, которые затем повторно столкнулись, чтобы сформировать то, что сейчас называется Землей. После повторного столкновения Земля была окружена диском материала, который образовал Луну. Эта гипотеза может объяснить доказательства, которых нет у других.

Источник