Происхождение Луны обычно объясняется столкновением с Землей тела размером с Марс , создавшего кольцо обломков , которое в конечном итоге собралось в единый естественный спутник — Луну , но существует также ряд вариаций этой гипотезы гигантского удара . в качестве альтернативных объяснений, и продолжаются исследования того, как образовалась Луна. [1] [2] Другие предложенные сценарии включают захваченное тело, деление, образовавшееся вместе (теория конденсации, синестия ), столкновения планетезималей (образованных из астероидоподобных тел) и теории столкновений. [3]
Стандартная гипотеза гигантского удара предполагает, что тело размером с Марс, называемое Тейя , столкнулось с прото-Землей, создав большое кольцо обломков вокруг Земли, которое затем срослось и образовало Луну. Это столкновение также привело к наклону оси Земли на 23,5°, что вызвало смену времен года . [1] [ неуместная цитата ] Соотношение изотопов кислорода на Луне, похоже, по существу идентично земному. [4] Соотношения изотопов кислорода, которые можно измерить очень точно, дают уникальную и различимую характеристику для каждого тела Солнечной системы . [5] Если бы Тейя была отдельной протопланетой , она, вероятно, имела бы другой изотопный состав кислорода, чем прото-Земля, как и выброшенный смешанный материал. [6] Кроме того, соотношение изотопов титана на Луне ( 50 Ti / 47 Ti ) кажется настолько близким к земному (в пределах 4 частей на миллион), что лишь малая часть массы сталкивающегося тела могла быть частью Луны. [7]
«Одна из проблем давней теории столкновения заключается в том, что столкнувшееся тело размером с Марс, состав которого, вероятно, существенно отличался бы от состава Земли, вероятно, оставило бы Землю и Луну с разными химическими составами, которыми они являются. нет."
—НАСА [1]
Выдвигались некоторые теории, предполагающие, что на ранних этапах формирования Солнечной системы, 4,425 миллиарда лет назад, у протоЗемли не было больших спутников, а Земля состояла в основном из камня и лавы. Тейя , ранняя протопланета размером с Марс, столкнулась с Землей таким образом, что выбросила значительное количество материала с Земли. Некоторая часть этих выбросов улетела в космос, но остальная часть объединилась в одно сферическое тело на орбите Земли, образовав Луну.
Гипотеза предполагает столкновение протоземли диаметром около 90% диаметра нынешней Земли и другого тела диаметром Марса (половина земного диаметра и десятая часть его массы). Последнюю иногда называют Тейей , именем матери Селены , богини Луны в греческой мифологии . Такое соотношение размеров необходимо для того, чтобы полученная система имела достаточный угловой момент , соответствующий текущей орбитальной конфигурации. Такой удар вывел бы на орбиту вокруг Земли достаточно материала, чтобы в конечном итоге накопилось и образовалась Луна.
Компьютерное моделирование показывает необходимость скользящего удара, в результате которого часть коллайдера образует длинный рукав материала, который затем отрывается. Асимметричная форма Земли после столкновения приводит к тому, что этот материал выходит на орбиту вокруг основной массы. Энергия, участвовавшая в этом столкновении, впечатляет: возможно, триллионы тонн материала испарились бы и расплавились. В некоторых частях Земли температура поднялась бы до 10 000 ° C (18 000 ° F).
Относительно небольшое железное ядро Луны (по сравнению с другими каменистыми планетами и спутниками Солнечной системы) объясняется тем, что ядро Тейи в основном сливается с ядром Земли. Отсутствие летучих веществ в лунных образцах также частично объясняется энергией столкновения. Энергии, высвободившейся во время повторной аккреции материала на орбите вокруг Земли, было бы достаточно, чтобы расплавить большую часть Луны, что привело бы к образованию океана магмы .
Вновь сформировавшаяся Луна вращалась по орбите примерно на одну десятую расстояния, на котором она находится сегодня, и разворачивалась по спирали наружу из-за приливного трения , передающего угловой момент от вращения обоих тел орбитальному движению Луны. По пути вращение Луны стало приливно-приливным, привязанным к Земле, так что одна сторона Луны постоянно обращена к Земле. Кроме того, Луна столкнулась бы с любыми небольшими ранее существовавшими спутниками Земли и включила в себя любые небольшие ранее существовавшие спутники Земли, которые имели бы такой же состав, как и Земля, включая содержание изотопов. С тех пор геология Луны стала более независимой от Земли.
Исследование истощения изотопов цинка на Луне, проведенное в 2012 году, обнаружило доказательства истощения летучих веществ, согласующиеся с происхождением гигантского удара для Земли и Луны. [8] В 2013 году было опубликовано исследование, которое показало, что вода в лунной магме неотличима от воды в углистых хондритах и почти такая же, как у Земли по изотопному составу . [9] [10] [11]
Хотя гипотеза гигантского удара объясняет многие аспекты системы Земля-Луна, все еще остается несколько нерешенных проблем, таких как то, что летучие элементы Луны не истощаются так сильно, как ожидалось, в результате такого энергетического удара. [12]
Еще одна проблема — сравнение изотопов Луны и Земли. В 2001 году были опубликованы наиболее точные измерения изотопных характеристик лунных пород . [4] Удивительно, но лунные образцы Аполлона имели изотопную подпись, идентичную земным породам, но отличающуюся от других тел Солнечной системы. Поскольку считалось, что большая часть материала, который вышел на орбиту для формирования Луны, поступила из Тейи, это наблюдение было неожиданным. В 2007 году исследователи из Калифорнийского технологического института показали, что вероятность того, что Тейя будет иметь идентичную изотопную подпись с Землей, очень мала (вероятность менее 1 процента). [13] Опубликованный в 2012 году анализ изотопов титана в лунных образцах Аполлона показал, что Луна имеет тот же состав, что и Земля, [14] что противоречит тому, что Луна формируется вдали от орбиты Земли.
Чтобы помочь решить эти проблемы, теория, опубликованная в 2012 году, утверждает, что два тела — каждое из которых в пять раз больше Марса — столкнулись, а затем снова столкнулись, образовав большой диск смешанного мусора, который в конечном итоге сформировал Землю и Луну. [1]
Традиционно считается, что Луна образовалась из обломков, выброшенных гигантским ударом о раннюю Землю. Однако такие модели с трудом могут объяснить схожий изотопный состав земных и лунных пород одновременно с угловым моментом системы, а детали потенциальных сценариев воздействия горячо обсуждаются. Исследование, опубликованное в 2022 году, показало, что при превышении порога высокого разрешения для моделирования гигантские удары могут немедленно вывести спутник с такой же массой и содержанием железа, как у Луны, на орбиту далеко за пределы земного предела Роша . Даже спутники, которые изначально проходят в пределах предела Роша, могут надежно и предсказуемо выжить, если их частично отделить, а затем вывести на более широкие и стабильные орбиты. Более того, внешние слои этих непосредственно сформированных спутников расплавляются в более холодных недрах и примерно на 60% состоят из протоземного материала. Это могло бы смягчить противоречие между изотопным составом Луны, подобным земному, и другой сигнатурой, ожидаемой от ударника. Немедленное формирование открывает новые варианты ранней орбиты и эволюции Луны, включая возможность сильного наклона орбиты, объясняющей наклон Луны, и предлагает более простой одноэтапный сценарий происхождения Луны. [15]
В 2004 году российский астрофизик Николай Горькавий предложил новую модель под названием «Модель множественных столкновений крупных астероидов» [16] [17], которая нашла поддержку у известной группы российских астрономов в 2013 году [18] , а позже, в 2017 году, у планетарных исследователей в Научный институт Вейцмана в Реховоте, Израиль. [19] В общих чертах основная идея модели предполагает, что Луна образовалась в результате сильного дождя из крупных астероидов (1–100 км), неоднократно обрушивавшихся на молодую Землю на протяжении миллионов лет. Такая серия более мелких ударов, которые, вероятно, были более распространены в ранней Солнечной системе, могла выбросить на орбиту достаточное количество каменистых обломков Земли, чтобы сформировать протоспутниковый диск, который позже превратится в небольшую луну. [17] [19] Поскольку повторяющиеся удары создавали больше шаров обломков, луны со временем могли слиться в одну большую луну. [17] [19]
В 2018 году исследователи из Гарварда и Калифорнийского университета в Дэвисе разработали компьютерные модели, демонстрирующие, что одним из возможных результатов столкновения планет является создание синестии — массы испаренного камня и металла, которая образует двояковогнутый диск , выходящий за пределы лунной орбиты. Синестия в конечном итоге сожмется и остынет, чтобы аккрецировать спутник и реформировать пострадавшую планету. [20]
Эта гипотеза утверждает, что Луна была захвачена Землей. [22] Эта модель была популярна до 1980-х годов, и некоторыми аргументами в ее пользу являются размер Луны, орбита и приливная блокировка. [22]
Одна из проблем — понимание механизма захвата. [22] Близкое столкновение двух планетных тел обычно приводит либо к столкновению, либо к изменению траекторий. Чтобы эта гипотеза сработала, вокруг примитивной Земли могла существовать большая атмосфера , которая замедляла бы движение Луны путем аэроторможения , прежде чем она смогла бы уйти. Эта гипотеза может также объяснить нерегулярные орбиты спутников Юпитера и Сатурна . [23] Однако эта гипотеза не объясняет адекватного, по существу, идентичного соотношения изотопов кислорода в двух телах. [4]
Это ныне дискредитированная гипотеза о том, что древняя, быстро вращающаяся Земля выбросила часть своей массы. [22] [24] Впервые это было предложено Джорджем Дарвином (сыном известного биолога Чарльза Дарвина ) в 1879 году [25] и сохраняло некоторую популярность до Аполлона. [22] Австрийский геолог Отто Ампферер в 1925 году также предположил, что появление Луны является причиной дрейфа континентов . [26]
Было высказано предположение, что Тихий океан представляет собой шрам этого события. [22] Сегодня известно, что океаническая кора, составляющая этот океанский бассейн, относительно молода, около 200 миллионов лет или меньше, тогда как Луна намного старше. Луна состоит не из океанической коры, а из мантийного материала, зародившегося внутри протоземли в докембрии. [7]
Гипотеза аккреции предполагает, что Земля и Луна образовались вместе как двойная система из первичного аккреционного диска Солнечной системы [27] или даже черной дыры . [28] Проблема с этой гипотезой заключается в том, что она не объясняет угловой момент системы Земля-Луна или почему Луна имеет относительно маленькое железное ядро по сравнению с Землей (25% ее радиуса по сравнению с 50% для Земли). ). [27]
В 2010 году голландские ученые Роб де Мейер и Вим ван Вестренен предположили, что Луна могла образоваться в результате ядерного взрыва, вызванного центробежной силой более ранней вращающейся протоземли. Центробежная сила сконцентрировала бы тяжелые элементы, такие как торий и уран, в экваториальной плоскости и на границе между внешним ядром Земли и мантией . Если бы концентрации этих радиоактивных элементов были достаточно высокими, это могло бы привести к цепной ядерной реакции, которая стала бы сверхкритической, вызвав ядерный взрыв, выбрасывающий Луну на орбиту. [29] [30] [31] Этот природный ядерный реактор деления наблюдался на Земле в гораздо меньших масштабах.
В 2011 году было высказано предположение, что вторая луна существовала 4,5 миллиарда лет назад, а затем столкнулась с Луной в рамках процесса аккреции при формировании Луны. [33]
Одна из гипотез, представленная лишь как возможная, заключалась в том, что Земля захватила Луну у Венеры. [34]
Датирование фрагментов циркона Аполлона - 14 с помощью уран-свинца показывает, что возраст Луны составляет около 4,51 миллиарда лет. [35] [36]
Группа исследователей миниатюрного радиочастотного прибора (Mini-RF) на космическом корабле НАСА Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) пришла к выводу, что недра Луны могут быть богаче металлами, такими как железо и титан, больше, чем предполагали ученые. [37]
В июле 2020 года ученые сообщают, что Луна образовалась 4,425 ± 0,025 лет назад, примерно на 85 миллионов лет позже, чем предполагалось, и что на ней находился океан магмы значительно дольше, чем считалось ранее (около 200 миллионов лет). [38] [39] [40]
1 ноября 2023 года ученые сообщили, что, согласно компьютерному моделированию, внутри Земли могли находиться остатки протопланеты под названием Тейя , оставшиеся от столкновения с Землей в древние времена и ставшие впоследствии Луной . [41] [42]
{{cite web}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )
Текст и изображения доступны по международной лицензии Creative Commons Attribution 4.0.