Откуда взялась Луна: отвечают геохимики

Специалисты подведомственного Минобрнауки России Института геохимии и аналитической химии (ГЕОХИ) РАН рассмотрели самые популярные теории происхождения Луны и выяснили, какая из них наиболее правдоподобна.

Общепринятая теория гласит, что наш мир возник в результате Большого взрыва. Взорвавшись, гигантский огненный шар разметал по пространству материю и энергию. Материя и энергия сгустились и образовали миллиарды звезд, а те, в свою очередь, объединились в многочисленные галактики. Около 4,567 млрд лет назад путем захвата оставшихся от образования Солнца пыли и газа из протопланетного диска возникла планета Земля.

А вот о том, как возник спутник Земли — Луна,— ученые спорят до сих пор. Существуют четыре основные теории происхождения Луны: теория коаккреции, теория мультиимпакта, теория мегаимпактов и теория образования Земли и Луны из единого разреженного сгущения. Однако вплоть до сегодняшнего дня этот вопрос окончательно не решен. Ученые ГЕОХИ РАН в одной из своих научных статей критически рассмотрели каждый из вариантов и рассказали о самой вероятной, по их мнению, теории происхождения Луны и образования связи между нашей планетой и ее спутником.

«Модели происхождения Луны тесно связаны с ее составом и строением. Формирование строения и состава коры и мантии Луны, как и на Земле, произошло в первые несколько сот миллионов лет. Изучение особенностей фигуры и гравитационного поля Луны дает возможность отыскать важные аналогии в эволюции обоих тел. Кроме того, недалеко то время, когда люди начнут жить на Луне и осваивать ее полезные ископаемые»,— сказал руководитель отдела планетных исследований ГЕОХИ РАН, академик РАН Михаил Маров.

«Поэтому, исходя из концепции будущего использования естественного спутника Земли для освоения и развертывания широкомасштабной лунной инфраструктуры, ученым важно изучать лунные ресурсы, их минеральный состав, область залегания и глобального картирования»,— добавил ведущий научный сотрудник лаборатории термодинамики и математического моделирования природных процессов ГЕОХИ РАН, доктор физико-математических наук Сергей Ипатов.

Луна образовалась из роя малых тел (теория коаккреции)

Кто предложил теорию? Впервые теория была выдвинута еще в 1785 году немецким философом Иммануилом Кантом. Развили ее советские математики Отто Шмидт, Евгения Рускол и Виктор Сафронов.

Одна из самых распространенных теорий образования Луны — это теория коаккреции (от лат. Аccretio — присоединение). Согласно ей, Луна и Земля появились в одно время. Вокруг молодой Земли из-за слипания твердых частиц метеоритов, облаков пыли и газа постепенно образовывался диск, похожий на кольца Сатурна. Из такого диска и сформировалась Луна. Основным источником околоземного роя тел в модели Шмидта—Рускол—Сафронова стал захват частиц допланетного диска во время их столкновений («свободной со свободной» и «свободной со связанной»). Это самая старая модель формирования Луны.

Почему теорию можно считать несостоявшейся. Подход коаккреции предсказывает образование спутниковых систем, общая масса которых составляет всего около 10-5–10-4 от массы планеты, а масса Луны гораздо больше. Также теория не объясняет разную плотность Луны и Земли и большее содержание железа в составе Земли, чем Луны. Кроме того, если бы Земля и Луна образовались из одного и того же материала, у Луны должно было бы быть такое же ядро, как и у нашей планеты.

Луна сформировалась вследствие катастрофического столкновения с Тейей (теория мегаимпакта)

Кто предложил теорию? В 1975 году ее выдвинули американские ученые Уильям Хартман и Дональд Дэвис.

Большую популярность получила предложенная рядом авторов (В. К. Хартман, Д. Р. Дэвис, 1975; А. Ж. В. Камерон, В. Р. Ворд, 1976; Р. М. Кануп, Е. Аспауг, 2001; Р. М. Кануп, 2004, 2012; Р. М. Кануп и др., 2013; М. Кук, С. Т. Стьюарт, 2012; М. Кук и др. 2016; А. С. Бэр, 2016) модель мегаимпакта. Предполагается, что около 4,5 млрд лет назад произошло катастрофическое столкновение протоземли с телом размером с Марс, получившим название Тейя. Удар привел к выбросу расплавленной силикатной мантии Земли на близкую околоземную орбиту. Из объединившихся фрагментов выброса образовалась протолуна, постепенно удалившаяся на современную орбиту вследствие приливного взаимодействия с Землей в процессе эволюции. Привлекательность данной гипотезы заключалась прежде всего в объяснении средней плотности Луны, равной плотности земной мантии.

Что не так с этой теорией. Эта модель не позволяет объяснить близкий изотопный состав целого ряда элементов Земли и Луны, в первую очередь изотопов кислорода, железа, водорода, кремния, магния, титана, калия, вольфрама, хрома. Критика теории мегаимпакта была дана в многочисленных публикациях академика Эрика Михайловича Галимова (Галимов и др., 2005; Галимов, 2011; Galimov, Krivtsov, 2012). Как отмечают ученые, трудно допустить, что образовавшее Луну тело даже из сравнительно близкой окрестности формирующихся планет земной группы имело состав, аналогичный Земле, поскольку в этой модели большая часть вещества Луны образуется из вещества ударника, а не протоземли. Эти результаты лишают модель мегаимпакта геохимического обоснования. Кроме того, поверхность Луны богата углеродом, чего не могло произойти, если бы она сформировалась после катастрофического столкновения протоземли с Тейей.

Земля и Луна сформировались из единого вещества (теория мультиимпакта)

Кто предложил теорию? Эта модель рассматривалась А. Рингвудом (Австралия, 1989), российскими учеными А. В. Витязевым и Г. В. Печерниковой (1996), Н. Н. Горькавым (2007), В. В. Светцовым (Svetsov) и др. (2012), В. Н. Афанасьевым и Г. В. Печерниковой (2022), израильскими учеными Р. И. Ситроном и др. (Citron и др. (2014), Р. Руфу и О. Ааронсоном (Израиль, 2015). Р. Руфу и др. (2017) моделировали выпадения на Землю ударников с массой от 0,01 до 0,09 от массы Земли. Они показали, что столкновения, близкие к вертикальным, приводят к меньшей доле вещества ударника в выброшенном веществе.

В отличие от мегаимпактной, в мультиимпактной модели рассматривается не одно, а несколько столкновений тел с Землей: в газопылевом околосолнечном диске образовывались разреженные газопылевые сгущения, которые затем сжимались в твердые тела — планетезимали (два столкнувшихся булыжника не имеют шансов объединиться). Планетезимали участвовали в аккумуляции планет земной группы и Луны.

Почему теория стала популярной. Эта модель помимо удовлетворения геохимическим ограничениям позволяет также объяснить известные различия в химическом составе Луны и Земли, в том числе дефицит железа, объединение летучими и обогащение тугоплавкими окислами Al (алюминий), Ca (кальций), Ti (титан) вещества Луны по сравнению с Землей.

А есть ли минусы у теории? Модель мультиимпактов не объясняет, почему у Земли есть Луна, а у других планет земной группы нет больших спутников.

Земля и Луна образовались из единого разреженного сгущения

Кто предложил теорию? Российский ученый Эрик Галимов (Галимов и др., 2005; Галимов, 1995, 2008, 2011, 2013; Галимов, Кривцов, 2012; Васильев и др., 2011).

Ученые предположили, что Земля и Луна сформировались из газопылевого облака. Эта модель лучше согласуется с геохимическими данными о составе лунного вещества. Исследования Галимова показали, что Луна не могла образоваться раньше 50 млн лет, отсчитывая от времени возникновения Солнечной системы. Прежде чем Луна сформировалась как конденсированное тело, она должна была развиваться в среде с более высоким отношением рубидия к стронцию Rb/Sr. Из-за большого атомного веса убегание рубидия невозможно с поверхности Луны, а возможно лишь с нагретой поверхности небольших тел или частиц. Поэтому, по мнению Галимова, исходное для Луны вещество первые 50 млн лет пребывало в диспергированном состоянии, например, в виде газопылевого скопления. Ученые предположили, что около 40% летучего вещества (в том числе FeO, оксид железа) пылевых частиц, образовавших зародыши, испарилось и изначально высокотемпературные зародыши Луны и Земли были одинаково истощены в железе. Частицы внешней части сгущения, которые не вошли в начальные зародыши, были более холодными и сохранили железо. Зародыши росли, собирая богатые железом частицы. Рост зародыша Земли был быстрее Луны. Поэтому Луна сохранила относительно низкое содержание железа, тогда как Земля аккумулировала большую часть оставшегося пылевого сгущения и приобрела высокое содержание железа. Эта модель образования Земли и Луны соответствует многим геохимическим данным.

Есть ли проблемы у модели Галимова? Согласно модели, сжатие разреженного сгущения до зародышей Земли и Луны заняло десятки миллионов лет. Такое длительное время существования сгущений после начала формирования Солнечной системы не подтвердилось в научных работах других специалистов, занимающихся изучением формирования и эволюции сгущений. Маров и др. (2008) полагают, что эволюция околосолнечного протопланетного диска до образования обогащенного пылью субдиска занимала от 1 млн до 2 млн лет.

В модели Галимова и др. в миллиметровых пылинках, образующих сгущение радиусом в 5,5 радиуса Земли, железа было мало, а остальные частицы в сфере Хилла (пространство вокруг планеты, в котором она способна удерживать свой спутник) были, наоборот, обогащены железом. Дальше математика: суммарная масса начальных зародышей, необходимых для объяснения содержания железа в Земле и Луне (согласно Galimov, Krivtsov, 2012), равна 0,047 ME (ME — масса Земли), а расчеты сжатия сгущения радиусом в 5,5 радиуса Земли проводились в этой работе для массы сгущения, равной 1,023 ME. Таким образом, Галимов и др. не указали, куда делось 95% обедненного железом вещества из внутренней части сгущения до того момента, когда зародыши стали расти за счет вещества внешней части сгущения.

Пока еще не опубликованы работы по формированию в зоне планет земной группы сгущений, массы которых были бы не меньше массы Земли. Так что вопрос о возможности образования массивных сгущений (рассмотрены Э. М. Галимов, А. М. Кривцов, 2012; С.В. Васильев и др., 2011) остается открытым.

Зародыши Земли и Луны образовались в результате сжатия разреженного сгущения

Кто предложил теорию? Российский ученый Сергей Ипатов в 2018 году. (DOI: 10.1134/S0320930X18050043)

Считается, что в газопылевом протопланетном диске образовались сгущения вещества, породившие при сжатии твердые планетезимали и, возможно, зародыши планет. Суть теории образования Луны в том, что зародыши Земли и Луны могли образоваться в результате сжатия общего родительского разреженного сгущения. Расчеты Д. Несворного и др. (Nesvorny et al., 2010) показали, какой должен быть угловой момент сгущения для того, чтобы при сжатии он породил спутниковую систему, а не сжался в одно тело. Ипатов (2018) показал, что необходимый для образования спутниковой системы угловой момент мог быть получен при столкновении двух сгущений, породивших сгущение, при сжатии которого образовались зародыши Земли и Луны. Такого углового момента не было у сгущений, породивших зародыши других планет земной группы без спутников. Поэтому эти планеты остались без крупных спутников. Как и в мультиимпактной модели, зародыш Луны мог расти преимущественно за счет сбора и присоединения обедненного железом вещества коры и мантии Земли, выброшенного с поверхности зародыша Земли при столкновениях с ним небесных тел, некоторые из которых могли быть небольшими. Таким образом, зародыш Луны образовался из того же сгущения, что и Земля, и рос в основном за счет вещества, выброшенного с зародыша нашей планеты.

Теория Ипатова, в отличие от других, объясняет, почему спутник, подобный Луне, не сформировался около других планет земной группы. Вероятность столкновения двух разреженных сгущений, порождающих сгущение с угловым моментом, достаточным для образования при сжатии сгущения бинарной системы, состоящей из двух зародышей, невелика. Сгущения, породившие зародыши других планет земной группы, не имели углового момента, необходимого для образования при их сжатии крупного спутника. Зародыш Луны, образовавшийся при сжатии сгущения, способствовал захвату вещества, выброшенного с растущей Земли при ее многочисленных столкновениях с планетезималями. В рамках моделей мультиимпактов и коаккреции этот зародыш мог расти гораздо быстрее, чем в случае, когда такого достаточно крупного зародыша Луны первоначально не было.

Как отмечают ученые, на сегодняшний день модель, согласно которой зародыши Луны и Земли появились в результате сжатия общего разреженного сгущения, представляется наиболее обоснованной.

Различные процессы формирования Луны рассмотрены в научной статье «Процессы миграции в Солнечной системе и их роль в эволюции Земли и планет» в журнале «Успехи физических наук». Более подробно вопросы формирования Луны были рассмотрены в статье: Ипатов С. И. Формирование зародышей Земли и Луны из общего разреженного сгущения и их последующий рост // Астрономический вестник, 2018, т. 52, №5, c. 411–426

Подготовлено при поддержке Минобрнауки