stringtranslate.com

Происхождение Луны

Обратная сторона Луны, сильно испещренная кратерами

Происхождение Луны обычно объясняется столкновением тела размером с Марс с Землей , в результате чего образовалось кольцо обломков , которое в конечном итоге собралось в один естественный спутник — Луну , но существует ряд вариаций этой гипотезы гигантского удара , а также альтернативных объяснений, и продолжаются исследования того, как образовалась Луна. [1] [2] Другие предлагаемые сценарии включают захваченное тело, деление, совместное образование (теория конденсации, синестия ), столкновения планетезималей (образовавшихся из астероидоподобных тел) и теории столкновений. [3]

Стандартная гипотеза гигантского удара предполагает, что тело размером с Марс под названием Тейя врезалось в прото-Землю, создав большое кольцо обломков вокруг Земли, которое затем срослось , образовав Луну. Это столкновение также привело к наклону оси Земли на 23,5°, что привело к смене времен года . [1] [ нерелевантная цитата ] Соотношения изотопов кислорода на Луне, по-видимому, по сути идентичны земным. [4] Соотношения изотопов кислорода, которые можно измерить очень точно, дают уникальную и отчетливую сигнатуру для каждого тела Солнечной системы . [5] Если бы Тейя была отдельной протопланетой , она, вероятно, имела бы иную изотопную сигнатуру 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 столкнувшегося тела могла быть частью Луны. [7]

Формирование

«Одной из проблем, бросающих вызов давней теории столкновения, является то, что ударившееся тело размером с Марс, состав которого, вероятно, существенно отличался бы от состава Земли, вероятно, оставило бы Землю и Луну с разным химическим составом, чего на самом деле нет».

—НАСА [1]

Лунный образец 61016, более известный как « Большой Мулей ».

Были высказаны некоторые теории, которые предполагают, что у прото-Земли не было больших лун на раннем этапе формирования Солнечной системы, 4,425 миллиарда лет назад, поскольку Земля в основном состояла 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 ушла в космос, но остальная часть объединилась в единое сферическое тело на орбите вокруг Земли, создав Луну.

Гипотеза требует столкновения прото-Земли размером около 90% от диаметра нынешней Земли и другого тела диаметром с Марс (половина земного диаметра и десятая часть его массы). Последнее иногда упоминается как Тейя , имя матери Селены , богини Луны в греческой мифологии . Такое соотношение размеров необходимо для того, чтобы полученная система имела достаточный угловой момент , соответствующий текущей орбитальной конфигурации. Такое столкновение вывело бы на орбиту вокруг Земли достаточно материала, чтобы в конечном итоге накопить его для формирования Луны.

Компьютерное моделирование показывает необходимость скользящего удара, который заставляет часть коллайдера сформировать длинный рукав материала, который затем отрывается. Асимметричная форма Земли после столкновения затем заставляет этот материал располагаться на орбите вокруг основной массы. Энергия, задействованная 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 лунами в Солнечной системе) объясняется тем, что ядро ​​Тейи в основном слилось с ядром Земли. Отсутствие летучих веществ в лунных образцах также частично объясняется энергией столкновения. Энергии, высвободившейся при повторной аккреции материала на орбите вокруг Земли, было бы достаточно, чтобы расплавить большую часть Луны, что привело бы к образованию океана магмы .

Недавно образованная Луна вращалась на расстоянии около одной десятой от того, что она делает сегодня, и спирально вытягивалась наружу из-за приливного трения, передающего угловой момент от вращения обоих тел к орбитальному движению Луны. По пути вращение Луны стало приливно заблокированным относительно Земли, так что одна сторона Луны постоянно обращена к Земле. Кроме того, Луна столкнулась бы и поглотила бы любые мелкие ранее существовавшие спутники Земли, которые разделяли бы состав Земли, включая изотопное изобилие. Геология Луны с тех пор стала более независимой от Земли.

Исследование 2012 года по истощению изотопов цинка на Луне обнаружило доказательства истощения летучих веществ, согласующиеся с гигантским ударным происхождением Земли и Луны. [8] В 2013 году было опубликовано исследование, которое показало, что вода в лунной магме неотличима от воды в углеродистых хондритах и ​​почти такая же, как на Земле по изотопному составу . [9] [10] [11]

Производные гипотезы

Хотя гипотеза гигантского удара объясняет многие аспекты системы Земля-Луна, все еще остается несколько нерешенных проблем, например, то, что летучие элементы Луны не настолько истощены, как ожидалось от столь мощного удара. [12]

Другой проблемой является сравнение изотопов Луны и Земли. В 2001 году было опубликовано самое точное на сегодняшний день измерение изотопных сигнатур лунных пород . [4] Удивительно, но лунные образцы Аполлона имели изотопную сигнатуру, 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 сигнатуру с Землей, очень мала (менее 1 процента вероятности). [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 далеко от орбиты Земли.

Слияние двух планет

Чтобы помочь решить эти проблемы, в 2012 году была опубликована теория, согласно которой два тела, каждое из которых было в пять раз больше Марса, столкнулись, а затем снова столкнулись, образовав большой диск смешанного мусора, который в конечном итоге образовал Землю и Луну. [1]

Непосредственное возникновение Луны как спутника после столкновения

Моделирование образования Луны в результате гигантского удара.

Традиционно считается, что Луна образовалась из обломков, выброшенных гигантским ударом на раннюю Землю. Однако такие модели с трудом объясняют схожий изотопный состав Земли и лунных пород одновременно с угловым моментом системы, а детали потенциальных сценариев ударов горячо обсуждаются. Исследование, опубликованное в 2022 году, выше порога высокого разрешения для моделирования показывает, что гигантские удары могут немедленно вывести спутник с массой и содержанием железа, аналогичными Луне, на орбиту далеко за пределами предела Роша Земли . Даже спутники, которые изначально проходят в пределах предела Роша, могут надежно и предсказуемо выжить, будучи частично раздетыми, а затем закрученными на более широкие, стабильные орбиты. Кроме того, внешние слои этих непосредственно сформированных спутников расплавлены над более холодными внутренними частями и состоят примерно из 60% протоземного материала. Это может ослабить напряженность между изотопным составом Луны, подобным земному, и другой сигнатурой, ожидаемой для ударника. Непосредственное образование открывает новые возможности для ранней орбиты и эволюции Луны, включая возможность сильно наклоненной орбиты для объяснения наклона Луны, и предлагает более простой, одноэтапный сценарий происхождения Луны. [15]

Множественные воздействия

В 2004 году российский астрофизик Николай Горькавый предложил новую модель под названием модель множественных крупных ударов астероидов [16] [17] , которая нашла поддержку у известной группы российских астрономов в 2013 году [18], а затем, в 2017 году, у планетологов из Института науки Вейцмана в Реховоте, Израиль. [19] В общих чертах, основная идея модели предполагает, что Луна образовалась в результате сильного дождя крупных астероидов (1–100 км), которые неоднократно обрушивались 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 достаточно каменистых обломков Земли, чтобы сформировать протоспутниковый диск, который позже сформируется в небольшую луну. [17] [19] Поскольку повторные удары создавали больше шаров мусора, луны могли со временем объединиться в одну большую луну. [17] [19]

Гипотеза синестии

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 испаренной породы и металла, которая образует двояковогнутый диск , простирающийся за пределы лунной орбиты. В конечном итоге синестия сожмется и остынет, чтобы аккрецировать спутник и реформировать планету, подвергшуюся удару. [20]

Луна – Oceanus Procellarum («Океан бурь»)

Другие гипотезы

Захватывать

Эта гипотеза утверждает, что Луна была захвачена Землей. [22] Эта модель была популярна до 1980-х годов, и в ее пользу говорят такие факторы, как размер Луны, ее орбита и приливная блокировка. [22]

Одной из проблем является понимание механизма захвата. [22] Тесное столкновение двух планетных тел обычно приводит либо к столкновению, либо к изменению траекторий. Для того, чтобы эта гипотеза сработала, вокруг примитивной Земли могла быть большая атмосфера , которая замедлила бы движение Луны за счет аэроторможения , прежде чем она могла бы вырваться. Гипотеза также может объяснить нерегулярные спутниковые орбиты Юпитера и Сатурна . [23] Однако эта гипотеза неадекватно объясняет по существу идентичные соотношения изотопов кислорода двух тел. [4]

Земля и Луна в масштабе, 500 км на пиксель

Деление

Это ныне дискредитированная гипотеза о том, что древняя, быстро вращающаяся Земля вытолкнула 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 появление Луны как причину дрейфа континентов . [26]

Было высказано предположение, что Тихий океан представляет собой шрам этого события. [22] Сегодня известно, что океаническая кора, которая составляет этот океанический бассейн, относительно молода, ей около 200 миллионов лет или меньше, тогда как Луна намного старше. Луна состоит не из океанической коры, а из мантийного материала, который возник внутри прото-Земли в докембрии. [7]

Концентрация тория на Луне, согласно карте Lunar Prospector

Аккреция

Гипотеза аккреции предполагает, что Земля и Луна образовались вместе как двойная система из первичного аккреционного диска Солнечной системы [27] или даже из черной дыры . [28] Проблема с этой гипотезой заключается в том, что она не объясняет угловой момент системы Земля-Луна или то, почему у Луны относительно небольшое железное ядро ​​по сравнению с Землей (25% ее радиуса по сравнению с 50% у Земли). [27]

Ядерный взрыв

Более радикальная альтернативная гипотеза, опубликованная в 1997 году российским ученым Владимиром Анисичкиным: «Луна могла образоваться в результате взрыва Протоземли», предполагает, что Луна могла образоваться в результате ядерного взрыва актинидов, расположенных на твердом внутреннем ядре Земли. Голландские ученые Роб де Мейер и Вим ван Вестренен предположили в 2010 году, 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 естественный ядерный реактор деления наблюдался на Земле в гораздо меньших масштабах. Гипотеза деления может адекватно объяснить сходства и различия в элементном и изотопном составе Земли и Луны.

Дополнительные теории и исследования

Видеоролик «Эволюция Луны» от NASA, снятый в 2012 году. [32]

2011

В 2011 году была выдвинута теория, что вторая луна существовала 4,5 миллиарда лет назад и позже столкнулась с Луной в ходе процесса аккреции при формировании Луны. [33]

2013

Одна из гипотез, представленная только как возможность, состояла в том, что Земля захватила Луну у Венеры. [34]

2017

Ураново-свинцовое датирование фрагментов циркона Аполлона-14 показывает, что возраст Луны составляет около 4,51 миллиарда лет. [35] [36]

2020

Группа исследователей миниатюрного радиочастотного (Mini-RF) прибора на космическом аппарате NASA Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) пришла к выводу, что недра Луны могут быть богаче металлами, такими как железо и титан, чем предполагали ученые. [37]

В июле 2020 года ученые сообщили, что Луна образовалась 4,425 ± 0,025 млрд лет назад, примерно на 85 миллионов лет позже, чем считалось, и что на ней находился океан магмы значительно дольше, чем считалось ранее (~200 миллионов лет). [38] [39] [40]

2023

1 ноября 2023 года ученые сообщили, что, согласно компьютерному моделированию, внутри Земли могут находиться остатки протопланеты под названием Тейя , возникшие в результате столкновения с Землей в древние времена и впоследствии ставшие Луной . [41] [42]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abcd "Ученые, изучающие Луну, разработали новую теорию формирования Земли и Луны". NASA . Архивировано из оригинала 2023-05-18.
  2. ↑ Staff (7 сентября 2014 г.). «Revisiting the Moon». New York Times . Получено 8 сентября 2014 г.
  3. ^ Теории образования Луны
  4. ^ abc Wiechert, U.; Halliday, AN; Lee, D.-C.; Snyder, GA; Taylor, LA; Rumble, D. (октябрь 2001 г.). «Изотопы кислорода и гигантский удар, формирующий Луну». Science . 294 (12): 345–348. Bibcode :2001Sci...294..345W. doi :10.1126/science.1063037. PMID  11598294. S2CID  29835446.
  5. ^ Скотт, Эдвард РД (3 декабря 2001 г.). «Изотопы кислорода дают ключ к образованию планет, лун и астероидов». Отчет об исследованиях планетарной науки : 55. Bibcode : 2001psrd.reptE..55S . Получено 19.03.2010 .
  6. ^ Нилд, Тед (сентябрь 2009 г.). "Moonwalk" (PDF) . Геологическое общество Лондона. стр. 8. Получено 01.03.2010 .
  7. ^ ab Zhang, Junjun; Nicolas Dauphas; Andrew M. Davis; Ingo Leya; Alexei Fedkin (25 марта 2012 г.). «Протоземля как значительный источник лунного материала». Nature Geoscience . 5 (4): 251–255. Bibcode :2012NatGe...5..251Z. doi :10.1038/ngeo1429.
  8. ^ Паниелло, Рэндал К.; Дэй, Джеймс МД; Муанье, Фредерик (18 октября 2012 г.). «Изотопные доказательства происхождения Луны из цинка». Nature . 490 (7420). Лондон, Англия: Springer Nature : 376–9. Bibcode :2012Natur.490..376P. doi :10.1038/nature11507. PMID  23075987. S2CID  4422136.
  9. ^ Спудис, Пол Д. (14 мая 2013 г.). "Земля-Луна: водянистая "двойная планета"". Air & Space/Smithsonian . Архивировано из оригинала 2013-08-07.
  10. ^ Saal, AE; et al. (14 июня 2013 г.). «Изотопы водорода в лунных вулканических стеклах и расплавных включениях раскрывают наследие углеродистых хондритов». Science . 340 (6138). Вашингтон, округ Колумбия: Американская ассоциация содействия развитию науки : 1317–20. Bibcode :2013Sci...340.1317S. doi :10.1126/science.1235142. PMID  23661641. S2CID  9092975.
  11. ^ Эрик Ян Асфауг : Происхождение Луны в результате удара?. В: Annual Revue of Earth and Planetary Sciences. Март 2014 г.
  12. ^ Джонс, Дж. Х. "ПРОВЕРКИ ГИПОТЕЗЫ ГИГАНТСКОГО УДАРА" (PDF) . Происхождение конференции Земли и Луны . Получено 21.11.2006 .
  13. ^ Pahlevan, Kaveh; Stevenson, David (октябрь 2007 г.). «Равновесие в результате гигантского удара, образовавшего Луну». Earth and Planetary Science Letters . 262 (3–4): 438–449. arXiv : 1012.5323 . Bibcode : 2007E&PSL.262..438P. doi : 10.1016/j.epsl.2007.07.055. S2CID  53064179.
  14. ↑ Чикагский университет (2012-04-05). «Тест на отцовство титана показывает, что Земля — единственный родитель Луны». Журнал Astrobiology (пресс-релиз). Архивировано из оригинала 2012-06-27.{{cite web}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )
  15. ^ Kegerreis, JA; et al. (4 октября 2022 г.). «Непосредственное происхождение Луны как спутника после удара». The Astrophysical Journal Letters . 937 (L40): L40. arXiv : 2210.01814 . Bibcode : 2022ApJ...937L..40K. doi : 10.3847/2041-8213/ac8d96 .
  16. ^ Горькавый, НН (2004-05-01). "Новая модель происхождения Луны". AAS/Division of Dynamical Astronomy Meeting #35 . 35 : 07.11. Bibcode : 2004DDA....35.0711G.
  17. ^ abc "Гринвичский институт науки и технологий - Происхождение Луны и спутников". www.gist.us . Получено 01.03.2021 .
  18. ^ "Развитие теории происхождения и ранней эволюции Земли". ResearchGate . Получено 2021-03-01 .
  19. ^ abc Rufu, Raluca; Aharonson, Oded; Perets, Hagai B. (февраль 2017 г.). «Происхождение Луны в результате множественных ударов». Nature Geoscience . 10 (2): 89–94. arXiv : 1903.02525 . Bibcode :2017NatGe..10...89R. doi :10.1038/ngeo2866. ISSN  1752-0908. S2CID  16658852.
  20. ^ Barbuzano, Javier (1 марта 2018 г.). «Могло ли гигантское столкновение испарить Землю, чтобы создать Луну?». Sky and Telescope . Получено 3 марта 2018 г.
  21. ^ Формирование Луны
  22. ^ abcdef "Lunar Origin. JNot a valid reference must be a Scientifi publication". Архивировано из оригинала 2018-03-23 ​​. Получено 2018-03-23 ​​.
  23. ^ Jewitt, David; Haghighipour, Nader (2007). «Нерегулярные спутники планет: продукты захвата в ранней Солнечной системе». Annual Review of Astronomy and Astrophysics . 45 (1): 261–295. arXiv : astro-ph/0703059 . Bibcode : 2007ARA&A..45..261J. doi : 10.1146/annurev.astro.44.051905.092459. S2CID  13282788.
  24. ^ Робин М. Кэнап , Кевин Райтер, Николас Дофас и др.: Происхождение Луны . В: Обзоры по минералогии и геохимии. Том 89, № 1. Декабрь 2023 г.
  25. ^ Wise, DU (1966). «Происхождение Луны путем деления». В Marsden, BG; Cameron, AGW (ред.). Система Земля-Луна . Boston, MA: Springer. стр. 213–223. doi :10.1007/978-1-4684-8401-4_14. ISBN 978-1-4684-8403-8.
  26. ^ Ампферер, О. (июль 1925 г.). «Über Kontinentverschiebungen». Naturwissenschaften (на немецком языке). 13 (31): 669–675. Бибкод : 1925NW.....13..669A. дои : 10.1007/BF01558835. S2CID  40767867.Полный текст страницы 672.
  27. ^ ab Формирование Луны burro.cwru.edu
  28. ^ "Откуда взялась Луна? BBC". Архивировано из оригинала 2019-10-26 . Получено 2019-10-08 .
  29. ^ Анисичкин В.В. «Взрываются ли планеты?» (1997). Горение, взрыв и ударные волны, т. 33, № 1, стр. 117-120.
  30. ^ Де Мейер, Р.Дж.; Анисичкин В.Ф.; Ван Вестренен, В. (2013). «Формирование Луны из земного материала, богатого силикатами». Химическая геология . 345 : 40–49. arXiv : 1001.4243 . Бибкод :2013ЧГео.345...40Д. doi :10.1016/j.chemgeo.2012.12.015. S2CID  55166272.
  31. ^ М. Реувер, Р. Дж. де Мейер, Инге Лоес тен Кейт, Вим ван Вестренен: Граничные условия формирования Луны . В: Нидерландский журнал наук о Земле, том. 95, выпуск 2, 14 декабря 2015.
  32. ^ "NASA | Эволюция Луны". YouTube . 14 марта 2012 г.
  33. ^ Jutzi, M. (2011). «Формирование возвышенностей на дальней стороне Луны путем присоединения спутника». Nature . 476 (7358): 69–72. Bibcode :2011Natur.476...69J. doi :10.1038/nature10289. PMID  21814278. S2CID  84558.
  34. ^ Мы украли нашу Луну у Венеры? Наша планета — грязный вор?, Popular Science , 27.09.2013 в 5:07 вечера
  35. ^ Мелани Барбони; Патрик Бёнке; Бренхин Келлер; Иссаку Э. Коль; Блэр Шёне; Эдвард Д. Янг; Кевин Д. Маккиган (11 января 2017 г.). «Раннее формирование Луны 4,51 миллиарда лет назад». Science Advances . 3 (1): e1602365. Bibcode :2017SciA....3E2365B. doi :10.1126/sciadv.1602365. PMC 5226643 . PMID  28097222. 
  36. ^ Вулперт, Стюарт (11 января 2017 г.). «Луна старше, чем думали ученые, сообщает исследовательская группа под руководством Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе». Калифорнийский университет, Лос-Анджелес .
  37. ^ Хегги, Эссам; Палмер, Э.М.; Томпсон, Т.В.; Томсон, Б.Дж.; Паттерсон, Г.В. (2020). «Объемный состав мелкозернистого реголита на дне лунных кратеров: первоначальное исследование LRO/Mini-RF». Earth and Planetary Science Letters . 541 (116274): 116274. Bibcode : 2020E&PSL.54116274H. doi : 10.1016/j.epsl.2020.116274. S2CID  219509384.
  38. ^ "Исследователи обнаружили более молодой возраст Луны Земли". phys.org . 13 июля 2020 г. . Получено 16 августа 2020 г. .
  39. ^ Леннон, Энни (13 июля 2020 г.). «На Луне Земли в течение 200 миллионов лет существовал океан магмы | Космос». LabRoots . Получено 16 августа 2020 г.
  40. ^ Морис, М.; Тоси, Н.; Швингер, С.; Брейер, Д.; Кляйн, Т. (10 июля 2020 г.). «Долгоживущий магматический океан на молодой Луне». Science Advances . 6 (28): eaba8949. Bibcode : 2020SciA....6.8949M. doi : 10.1126/sciadv.aba8949 . ISSN  2375-2548. PMC 7351470. PMID 32695879  .  Текст и изображения доступны по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International.
  41. ^ Чанг, Кеннет (1 ноября 2023 г.). «Исследование предполагает, что „большой удар“ сформировал Луну и оставил следы глубоко в Земле. Два огромных сгустка глубоко внутри Земли могут быть остатками рождения Луны». The New York Times . Архивировано из оригинала 1 ноября 2023 г. . Получено 2 ноября 2023 г.
  42. ^ Юань, Цянь и др. (1 ноября 2023 г.). «Moon-forming impactor as a source of Earth's basal mantle anomalies» (Ударный элемент, формирующий Луну, как источник аномалий базальной мантии Земли). Nature . 623 (7985): 95–99. Bibcode :2023Natur.623...95Y. doi :10.1038/s41586-023-06589-1. PMID  37914947. Архивировано из оригинала 2 ноября 2023 г. Получено 2 ноября 2023 г.

Внешние ссылки