До экспедиций на Луну 1969-1972 годов бытовало несколько теорий происхождения Луны. Всё изменилось после того, как NASA получило образцы лунных пород.
24 июля 1969 года «Аполлон-11» доставил на Землю 22 кг лунных пород. Группа предварительного анализа образцов времени не теряла. Команда во главе с геохимиком Стюартом Россом Тейлором (Stuart Ross Taylor) состояла из 15 крупных ученых — геологов, физиков и микробиологов. Наряду с тщательным визуальным исследованием наиболее важные результаты дала масс-спектрометрия. Этот анализ начинается с испарения и ионизации образца в электрической дуге. Затем ионы разгоняются в электрическом поле и попадают в магнитное, где их траектории искривляются. По кривизне этих траекторий можно определить не только элементный, но и изотопный состав образца. Наряду с драгоценными лунными образцами в распоряжении группы имелись для сравнения многообразные земные породы. Работа с образцами началась 26 июля, и уже в начале августа группа выпустила предварительный отчет, где отмечалось, что породы содержат относительно высокую концентрацию тугоплавких элементов, таких как титан, иттрий и цирконий, но мало летучих элементов вроде натрия, калия, свинца, никеля и кобальта. Казалось ясным, что содержание этих элементов с температурой плавления ниже 1500 °С на каком-то этапе сократилось из-за нагревания. Хотя вывод этого первого отчета состоял в том, что факты говорят в пользу теории двойной планеты, в действительности он подталкивал к гипотезе гигантского удара, которая получила широкую известность в следующем десятилетии.
КЛЮЧЕВОЙ ЭКСПЕРИМЕНТ
Основные теории отличались выводами относительно ожидаемого состава лунных пород и самой Луны. Если Луна образовалась рядом с Землей или верна гипотеза разделения, небесные тела должны быть очень похожи по составу. У захваченной Луны химия и минералогия были бы совсем иными. Если Лупа образовалась одновременно с Землей или была захвачена, она должна выглядеть гравитационно «дифференцированным» телом с рядом внутренних слоев и плотным железным ядром. И, наоборот, если Луна возникла по дарвиновской модели разделения, вещество Луны происходило бы из относительно легких мантийных пород. Едва взявшись за дело, геологи обнаружили, что в образцах лунных пород удивительным образом смешано знакомое и незнакомое (см. врезку «Ключевой эксперимент»). Базальты из Моря Спокойствия оказались по минеральному составу очень похожими на земные, но при этом сильно обеднены летучими веществами. Интереснее всего выглядело широкое распространение магматической породы анортозита и стеклоподобного оливина. Эти два факта плюс отсутствие летучих веществ указывали, что поверхность молодой Луны была в прошлом достаточно горячей, чтобы образовались океаны жидкой магмы. В начале 1970-х годов сторонники всех трех конкурирующих теорий бились над объяснением данных «Аполлонов», но никому не удалось достичь полного согласия с новыми фактами. К счастью, наготове была еще одна, упущенная ранее идея — гипотеза гигантского столкновения Реджинальда Дейли. Она вернулась в научный оборот в 1975 году в статье Уильяма Хартмана и Дональда Дэвиса (William К Hartmann, Donald R Davis) из Планетологического института в Аризоне (США). К этому времени возрождение лапласовской небулярной гипотезы шло полным ходом благодаря работам советского астронома Виктора Сафронова. Его вариант теории Лапласа включал стадию, на которой молодая Солнечная система заполнена планетезималями — телами поперечником от сотен до тысяч километров. Сталкиваясь и сливаясь, они формировали планеты. Хартмана и Дэвиса заинтересовала возможность, что удары небольших планетезималей по юной Луне могли породить на ее поверхности огромные импактиые бассейны. Не зная о более ранней работе Дейли, они тоже пришли к мысли, что столкновение с Землей более крупной планетезимали могло выбросить на орбиту смесь земных пород с веществом налетевшего тела. На следующий год Аластер Кэмерон и Уильям Уорд (Alastair GW Cameron, William R Ward) из обсерватории Гарвардского колледжа (США) уточнили: если тело было размером с Марс и ударило по касательной, большая часть выброшенного материала должна поступить из земной мантии, что объясняет низкую плотность Луны по сравнению с Землей. При этом выделяется достаточно тепла, чтобы основная часть летучих веществ испарилась в космос.
Джордж Дарвин (1845-1912). Джордж, пятый ребенок Чарлза Дарвина, сам стал уважаемым математиком и астрономом. Хотя сегодня его в основном помнят благодаря теории образования Луны путем отделения от Земли, он также выполнил важные исследования приливных сил и так называемой задачи трех тел, описывающей гравитационное взаимодействие Земли, Луны и Солнца.
Реджинальд Олдворт Дейли (1871-1957) Этот влиятельный канадский геолог начал карьеру, изучая породы вдоль канадско-американской границы. Тот факт, что он придумал гипотезу гигантского удара, часто затеняется его вкладом в наше понимание магматических пород и его поддержкой теории дрейфа континентов.
Гарольд Юри (1893-1981) Этот американский химик рано прославился открытием и выделением дейтерия, тяжелого изотопа водорода, и сыграл важную роль в разработке атомной бомбы. Наряду с развитием теории гравитационного захвата Луны, он также знаменит своими экспериментами совместно со Стэнли Миллером (Stanley Miller) по изучению происхождения жизни на Земле.
Джерард Койпер (1905-1973) Датчанин по происхождению, Койпер был одним из величайших планетологов XX века, открывшим спутники Урана и Нептуна и первым обнаружившим углекислый газ в атмосфере Марса. Он был влиятельной фигурой в NASA в период запуска первой волны межпланетных зондов и помогал в выборе мест посадки по программе «Аполлон».
Уильям Хартман (р. 1939) и Дональд Дэвис (р. 1939) Два самых заслуженных на сегодня планетолога, не в последнюю очередь благодаря тому, что отстаивали теорию гигантского удара. Хартман [на снимке] специализируется на эволюции поверхности планет, тогда как Дэвис в основном занимается эволюцией малых тел Солнечной системы.
ДЕЙСТВУЮЩИЕ ЛИЦА
Теория Хартмана и Дэвиса прекрасно согласовывалась с данными, полученными в ходе программы «Аполлон», и в следующем десятилетии ее научные позиции быстро укреплялись. А вот «большая тройка» теорий встречала всё нарастающие трудности в геологическом анализе и компьютерном моделировании. Но многогранный характер результатов программы «Аполлон» оставлял достаточно пространства для дебатов, так что идея столкновения не могла добиться решающего перевеса до 1984 года, когда состоялась конференция в гавайском городе Коне.
С конца 1980-х годов число фактов, подтверждающих, что Луна образовалась из вещества, выброшенного при гигантском столкновении, стало быстро расти. Компьютерные модели позволили оценить массы врезавшегося тела, молодой Земли и выброшенного вещества, а в 2000 году геохимик Алекс Холлидей (Alex Halliday) даже присвоил налетевшему на Землю объекту имя Тейя (Theia) в честь матери лунной богини Селены в греческой мифологии. Похоже, это название прижилось.
ХРОНОЛОГИЯ
Как на протяжении 3х столетий развивались представления о происхождении Луны
1795 Объяснение происхождения Солнечной системы предложенное Пьером-Симоном Лапласом, стало первой научной теорией возникновения Луны. Сегодня оно известно как теория ко-аккреции (совместной аккреции).
1878 Джордж Дарвин выдвинул теорию, по которой Луна отделилась от быстро вращающейся молодой Земли. Эта идея была подсказана его математическими исследованиями приливных сил. Ее стали называть теорией разделения.
1952 Гарольд Юри опубликовал первые серьезные аргументы в пользу того, что Луна образовалась где-то в другом месте Солнечной системы и была захвачена на околоземную орбиту в более поздний период.
1975 Уильям Хартман и Дональд Дэвис предположили, что огромная планетезималь ударила по молодой Земле, обеспечив тем самым энергию, необходимую для выброса материала, из которого образовалась Луна.
1984 На конференции в Коне (Гавайи, США) обсуждалось происхождение Луны и был достигнут консенсус относительно гипотезы гигантского удара. Однако в ее рамках еще предстоит решить множество частных вопросов.
ХРОНОЛОГИЯ
Тейя — одна из множества планетезималей, рассекавших пространство Солнечной системы в ее ранние годы. По понятным причинам она вызывала у астрономов особое любопытство, и они потратили массу усилий, изучая ее возможные свойства. Однако, к их огромному разочарованию, геологи, продолжающие исследовать состав Луны, вынудили астрономов еще раз пересмотреть свою гипотезу, чтобы объяснить минералогические факты. На сегодня ясно, что Луна не столь сухая, как считалось прежде, и вода, заключенная в некоторых ее минералах, вряд ли была занесена кометами. Представление о глобальном океане лавы в прошлом уже не выдерживает давления фактов. Модель образования должна позволять Луне сконденсироваться без полного расплавления в ходе этого процесса. При этом соотношения изотопов в некоторых лунных минералах до необъяснимого похожи на земные — без следов предположительно чужеродной Тейи.
Руководители NASA позируют о первым ящиком лунных образцов, доставленных «Аполлоном-11» в 1969 году
ОБРАЗОВАНИЕ ЛУНЫ
Чтобы справиться с этими проблемами, были придуманы три уловки, дополняющие теорию. Согласно одной из них, Тейя образовалась в той же части протопланетного облака, что и Земля, и поэтому у нее почти такой же химический состав. Возможно, она даже обращалась вокруг Земли, пока из-за роста массы ее движение не стало неустойчивым. Другой вариант: Тейя могла быть намного больше, чем считалось прежде, — возможно, вдвое массивнее Марса, — так что столкновение существенно изменило химию самой Земли. Третья возможность состоит в том, что Тейя была карликовой ледяной планетой, залетевшей из далеких внешних областей Солнечной системы. При ее ударе выделилось достаточное количество энергии, чтобы выбить породы из земной мантии, но ее собственные летучие вещества при этом испарились в космос и почти не повлияли в итоге на состав Луны.
НАДО ЗНАТЬ
1. ИЗОТОПЫ Разновидности элементов, обладающие одинаковыми химическими свойствами, но имеющие разные атомные массы. Соотношение в веществе изотопов элементов существенно отличается в разных областях Солнечной системы, что дает ценную информацию о месте происхождения вещества.
2. ПЛАНЕТЕЗИМАЛИ Крупные тела, образовавшиеся на ранней стадии развития Солнечной системы, достаточно массивные, чтобы притягивать газ и пыль окружающего протопланетного диска (этот процесс называется аккрецией) и тем самым быстро расти. Считается, что столкновения планетезималей играли ключевую роль в образовании планет.
Гипотеза гигантского удара , иногда называемая Большим Всплеском или УдарТейи , 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.
