Как образовалась Луна
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 о происхождении Луны
Первые упоминания встречаются в наскальных рисунках пещерных людей, живших 35-40 тыс. лет назад. Изучение Луны с научной точки зрения впервые началось в Древней Греции. Аристарх Самосский, древнегреческий астроном (320-250 г. до н.э.), верно предположил, что от Земли до ночного светила расстояние составляет 60 радиусов планеты (среднее величина равна 384 467 км, т.е. 30 земных диаметров).
Ученый Галилео Галилей, наблюдая за Луной, в 1609 г. заметил на поверхности объекта пятна и предположил, что темные области — это морские пространства, а светлые — материки, покрытые возвышенностями, кратерами.
Образование из единого газопылевого облака
В 1755 г. И. Кант в работе о теории неба выдвинул версию, что Солнечная система и ближайшие звезды образовались из туманности после взрыва сверхновой звезды, бывшей тяжелее Солнца в 30 раз. Произошедший 4,5 млрд лет назад взрыв породил газопылевое облако, из частиц которого образовалась Земля и спутник.
Эта гипотеза называется сестринской и предполагает, что вначале сформировалась Протоземля, а когда рост ее массы приостановился, из газопылевых частиц стал создаваться околопланетный рой — основа будущего спутника.
Верность этой теории подтверждает сходство химического состава планеты и спутника. В качестве опровержения приводится необъяснимость разницы плотности двух комических объектов и низкого содержания химических элементов в составе лунного вещества — 16,2% Са, 22,5% Fe, 22,6% Si, 38,7% О.
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.
Теория захвата
Вариант о захвате Землей спутника предложил в 1909 г. американский астроном Томас Си. По версии ученого, Луна была планетой Солнечной системы.
По необъяснимым причинам она сместилась на эллиптическую орбиту, скрестившуюся с орбитой Земли, и была притянута земным гравиполем.
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.
Эта гипотеза имеет и слабые стороны:
- Захваченные в подобных условиях спутники Юпитера вращаются в противоположном с планетой направлении, Луна — в одном направлении с Землей.
- Результаты компьютерной имитации показывают, что захват земным гравитационным полем пролетающего рядом космического объекта, схожего по массе с Луной, маловероятен. Более правдоподобной выглядит версия столкновения такого объекта с планетой или его выталкивание далеко за границы орбиты.
- Полное сходство соотношения кислородных изотопов состава двух космических объектов.
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.
Но есть и опровержения:
- По расчетам нужная для отрыва скорость вращения Земли должна составлять 1-2 часа. Появление и снижение такой скорости объяснить невозможно.
- Исследования тектоники земной литосферы доказывают, что бассейн Тихого океана, где и случился отрыв части будущей Луны, существует 70 млн лет и не мог образоваться в результате центробежного отделения.
Гипотеза столкновения, или модель мегаимпакта
Еще одна гипотеза появления Луны — теория американских планетологов Д. Дэвиса и У. Хартманна, опубликованная в 1975 г. По их версии, в самом начале существования Земли произошло ее столкновение с планетоидом размером с Марс.
Этот гипотетический объект назван Тейей. Удар произошел по касательной, но из-за столкновения части вещества Тейи и земной геосферы оказались выброшены на околоземную орбиту.
Инородное тело
Мнения ученых относительно развития событий разделились. По одному варианту, Протолуна после такого столкновения сформировалась из большего количества вещества Тейи, чем Земли. В качестве доказательства приводится небольшое содержание железа в составе лунного грунта — 22,5%.
Но после получения образцов пород нашего спутника и их подробных анализов выяснилось, что по содержанию тяжелых изотопов кислорода, титана и вольфрама состав лунного и земного материалов идентичен, чего не могло произойти при образовании Луны из обломков Тейи.
Фрагмент Земли
Версия, что при ударе преобладающая часть исторгнутого вещества содержала элементы земной мантии, опирается на сходство состава земной и лунной пород, но не объясняет низкий процент железа в веществе Луны и различие плотностей материалов.
Два в одном
Третий вариант теории мегаимпакта объединяет две предыдущих версии, уточняя, что основой Протолуны послужило единое вещество, образовавшееся из частей двух столкнувшихся объектов.
В октябре 2016 г. было опубликовано исследование, одним из авторов которого выступал Кун Ван, доцент Вашингтонского университета. Ученый считал, что в случае гипотезы испарения часть лунных пород состояла бы из вещества планетоида, ударившего Землю.
Однако по результатам исследования изотопного состава образцов стало ясно, что породы Луны подвергались таким температурам, возникновение которых возможно в случае сильного удара. При этом планета-пришелец и часть нашей планеты испарились бы, а образованный при этом пар занял бы территорию, превышающую площадь Земли.
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.
Эта гипотеза проясняет небольшое содержание железа в веществе спутника: к моменту нагревания планеты тяжелые породы уже попали в ядро Земли и содержание железа на поверхности снизилось. Однако геологические исследования Земли не подтвердили существования температур в 2000°С на стадии ее образования.
Искусственный спутник
Кроме теорий о естественном происхождении сателлита выдвигались 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.
Источник
Основные версии происхождения Луны
В начале этой недели ученые-астрофизики из Института геофизики Парижа опровергли версию происхождения Луны, которая до сих пор считалась наиболее вероятной. Согласно этой гипотезе, примерно 4,5 миллиардов лет назад совсем еще юная Земля столкнулась с протопланетой Тейей, в результате чего образовалась Луна.
Компьютерные симуляции, проведенные специалистами, поставили под сомнение эту версию, а заодно и многие другие наши представления о происхождении ближайшего к Земле космического тела.
Редакция «МИР 24» выбрала основные версии происхождения спутника и вместе со специалистами взвесила «за» и «против» популярных гипотез.
Версия №1: одно гигантское столкновение
Модель ударного формирования Луны оставалась доминирующей в науке последние три десятилетия. Астрофизики приняли ее почти единогласно после того, как в декабре 1972 года лунный модуль корабля «Аполлон-17» в ходе последней высадки на спутник доставил на Землю более 110 кг лунных пород.
Анализ химического и изотопного состава грунта привели ученых к мысли о том, что на раннем этапе формирования Солнечной системы Земля могла столкнуться с крупным небесным телом – протопланетой, габариты которой были соразмерны сегодняшнему Марсу, то есть примерно 10,7% от массы Земли.
«Для обоих небесных тел это событие было катастрофическим, и материал, который был выброшен в результате этого столкновения, многие тысячелетия частично оставался на орбите Земли, из-за чего в результате эволюционного сжатия и образовался земной спутник», – рассказывает доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник Института космических исследований РАН Александр Родин.
Имена небесным телам по традиции даются греческие, мифологические. Поэтому гипотетическая протопланета получила название в честь одной из сестер-титанид Тейи, которая, по верованиям древних греков, была матерью Селены (Луны). Связь между Землей и спутником оказалась настолько сильной, что со временем Луна начала вызывать на Голубой планете приливы и отливы.
Это в свою очередь сформировало на мокрой тверди условия для появления первых элементов биологической жизни (нуклеотидов) из простейших азотистых соединений, смеси фосфата и углеводов. Так под воздействием лунной активности и солнечного света на земной поверхности образовалась первая «лаборатория» для формирования будущей жизни.
В пользу теории мегавзрыва говорит тот факт, что ядро земного спутника слишком мало для планеты, которая сформировалась одновременно с Землей (радиус ядра Луны около 240 километров). Кроме того по своему составу Луна куда однородней нашей планеты. Вроде бы все склоняло ученых к той точке зрения, что причина рождения Луны протокрасавица Тейя.
Подозрения в справедливости такой красивой гипотезы возникли у астрономов Парижского института геофизики. Смущали химические составы земной мантии и лунного грунта. Что-то там было не так. В результате парижские астрономы запустили многолетний эксперимент, который только что завершился.
В течение этого эксперимента они провели 1,7 млрд компьютерных симуляций столкновения Земли и Тейи и выяснили, что масса гипотетического небесного тела, с которым столкнулась Земля, не могла составлять больше 15% от массы нашей планеты.
В противном случае, земная мантия содержала бы в разы больше никеля и кобальта, а из лунного грунта уже давно испарились бы легкие изотопы радиоактивных элементов, которые присутствуют в ней сейчас, например, изотоп гелия-3.
Версия №2: теория множественных бомбардировок
«Последнее исследование французов подтверждает предположение о том, что столкновение было не одно – их было множество, – объясняет доктор Родин, – Будущий материал для формирования спутника накапливался миллионы лет на земной орбите, а сами тела-бомбардировщики были гораздо меньше, чем гипотетическая Тейя».
Однако, по мнению ученого, эпохального переворота это открытие не совершило. Последние десятилетия Луна остается не только самым изученным, но и самым активно изучаемым объектом Солнечной системы. Ежегодно в распоряжение ученых поступают все новые и новые данные, которые опровергают ту или иную из существующих гипотез.
«Компьютерные симуляции помогают нам лишь смоделировать те или иные условия. Примерно так же работают метеорологи, определяя погоду на ближайшее время. Но мы прекрасно понимаем, что даже прогноз на завтра и тот может быть неверным. Что же говорить о таких глобальных событиях, как зарождение живой материи, формирование Луны или Земли», – отметил ученый.
С ним согласен и доктор физико-математических наук, заведующий отделом исследования Луны и планет института им. П. К. Штернберга МГУ Владимир Шевченко.
По его словам, французских астрофизиков на несколько лет опередил российский ученый, директор Института геохимии имени В. И. Вернадского Эрик Галимов, который проанализировал гипотезу о протопланете Тейе и одним из первых в мировой науке смог аргументированно ее опровергнуть. Правда, чисто теоретически. Теперь его теория получила экспериментальное подтверждение.
Версия №3: «сестринская» гипотеза
Гипотеза, к которой сегодня склоняются многие российские ученые, звучит так: Луна и Земля сформировались относительно одновременно из единого газопылевого облака. Это произошло около 4,5 млрд лет назад, что подтверждают данные радиоизотопной датировки метеоритных образцов, так называемых хондритов.
«Зародыш» Земли притянул к себе максимальное число частиц в зоне их доступности, а из оставшихся фрагментов на орбите сформировался меньший по размерам, но схожий по химическому составу спутник.
«Эта теория снимает сомнительные вопросы относительно геохимических показателей лунного грунта, – объясняет Владимир Шевченко. — Если бы мегаудар имел место, Луна должна была бы содержать то же вещество, из которого Земля состояла на момент и была бы куда больше похожа на Землю, чем сейчас», – резюмирует профессор.
Правда, такая красивая гипотеза об общем облаке-прародителе многого не объясняет. Например, того, почему лунная орбита не лежит в плоскости земного экватора и почему ее железно-никелевое ядро сформировалось столь миниатюрным по сравнению с нашим.
Версия №4: планета-пленница, или «супружеская» гипотеза
Одна из самых любопытных гипотез, имеющих при этом наименьшее число доказательств, – гипотеза о том, что Луна изначально образовалась как независимая планета Солнечной системы. В результате отклонения небесного тела от орбиты (так называемых пертурбаций) планета, так сказать, «сбилась с курса» и вышла на эллиптическую орбиту, пересекающуюся с Землей.
При одном из сближений Луна попала в поле действия земной гравитации и превратилась в ее спутник.
Американских астрономов под руководством Томаса Джексона Си эта теория заинтересовала отнюдь не из академических соображений. Дело в том, что легенды древнего африканского народа догонов повествовали о временах, когда на ночном небе еще не было второго светила — Луны.
Несмотря на то, что теория не вписывалась в «Большую тройку» академических гипотез о происхождении спутника, ее всерьез обсуждала группа ученых под руководством Сергея Павловича Королева при проектировке спускаемой автоматической станции.
Ученым предстояло «вслепую» решить, каким образом была сформирована Луна. От их выводов зависел успех прилуления станции. Ведь если Луна вращается вокруг Земли миллиарды лет, без плотной атмосферы на ее поверхности должен был скопиться многометровый слой опадающей из космоса пыли.
Если это действительно так, станция, предназначенная для посадки на Лунную твердь, просто бы утонула.
Предположение о том, что Луна была захвачена Землей сравнительно недавно, ученым явно нравилось больше. В этом случае ее поверхность должна была быть все еще твердой. Поэтому и аппарат для посадки решили рассчитывать именно на этот сценарий.
Правда, противоречий у этой теории больше, чем у других версий происхождения спутника. Например, почему у изотопов кислорода на Луне и Земле наблюдается такая идентичность?
Или почему Луна вращается в одном направлении с Землей, тогда как луны, захваченные Юпитером – Ио, Европа, Ганимед и Каллисто — вращаются в ретроградном, то есть противоположном от Юпитера направлении.
Как бы то ни было, даже относительно «складные» и «привлекательные» гипотезы не дают точного описания того, как именно на земном небосклоне возникло ночное светило. Впрочем, такие нестыковки наблюдаются при описании любого другого физического явления такого масштаба, отмечает Александр Родин.
Каждое новое открытие, даже проведенное в земных условиях, может в любой момент поставить под сомнение любую «устоявшуюся» в науке гипотезу. Даже о происхождении Земли — не то что ее спутника.
Надежда Сережкина
Источник