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.
Видео
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