Луна могла сформироваться из выплеснувшейся на орбиту земной магмы

Рис. 1. Моделирование формирования Луны при столкновении Земли, покрытой океаном магмы, с гипотетической планетой Тейя. Темно-серым обозначено ядро Земли, желтым — мантия, красным — океан магмы, светло-серым — ядро Тейи, синим — ее мантия. Также указано время в часах после столкновения. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Geoscience

Принято считать, что Луна образовалась в результате столкновения с Землей другого небесного тела размером с Марс. Однако в рамках этой популярной гипотезы невозможно объяснить сходство изотопного состава земных и лунных пород, указывающее на происхождение их по большей части из одного материала. Построенная японскими учеными модель, основанная на предположении о том, что в момент столкновения поверхность Земли была не твердой, а покрытой океаном магмы, снимает это противоречие. Результаты численного моделирования говорят о том, что при столкновении жидкая магма, покрывающая Землю, частично выплескивается на орбиту и составляет большую часть вещества, из которого затем сформируется Луна.

Согласно наиболее популярной гипотезе, Луна образовалась примерно 4,5 млрд лет назад в результате столкновения с Землей гипотетической протопланеты Тейя. Впервые эта гипотеза была сформулирована в 1975 году американскими астрономами Уильямом Хартманном и Дональдом Дэвисом (W. K. Hartmann, D. R. Davis, 1975. Satellite-sized planetesimals and lunar origin). Ее часто так и называют — гипотезой гигантского столкновения (Giant-impact hypothesis). Наблюдаемый сейчас угловой момент системы «Земля — Луна» говорит о том, что удар приходился по касательной.

Расчеты показывают, что при таком столкновении Луна должна была бы на 60% состоять из материала Тейи, однако на самом деле вещество Луны (по крайней мере то, которое доступно ученым для изучения) имеет очень близкое сходство с материалом Земли. В частности, в лунных образцах, доставленных на Землю в рамках миссии «Аполлон», соотношение изотопов кислорода почти такое же, как у вещества земной мантии, а изотопные отношения титана полностью совпадают с земными.

Это несоответствие — главная причина неприятия гипотезы гигантского столкновения многими учеными-планетологами. В то же время эта гипотеза лучше любых других (например, гипотезы одновременного формирования Луны и Земли или гипотезы множественных столкновений) объясняет физические и геохимические характеристики системы «Земля — Луна»: угловой момент, наклон земной оси, а также размер Луны и ее состав. Объясняет она и отсутствие у Луны богатого железом ядра: в рамках этой гипотезы предполагается, что спутник Земли сформировался в основном из выброшенного при ударе более легкого вещества мантии Земли и столкнувшегося с ней тела, в то время как тяжелое ядро этого тела погрузилось и слилось с ядром Земли. В итоге возникает противоречие между механикой гигантского столкновения и изотопными подписями в химическом составе двух небесных тел.

Группа японских ученых во главе с Нацуки Хосоно (Natsuki Hosono), математиком и планетологом из Агентства морских и геологических наук и технологий Японии (Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology), создала новую компьютерную модель гигантского столкновения, снимающую это противоречие. Результаты моделирования опубликованы в журнале Nature Geoscience.

Авторы исследования показывают, что всё встает на свои места, если допустить, что на момент столкновения поверхность Земли не была твердой (а именно из этого исходили ученые, строившие модели катаклизма до этого; см., например, R. M. Canup, 2004. Simulations of a late lunar-forming impact и W. Benz et al., 1986. The origin of the moon and the single-impact hypothesis I), а была полностью покрыта океаном расплавленной магмы. Ударное же тело (Тейя) было при этом полностью твердым. Проведенное моделирование показало, что при таком допущении — даже в случае столкновения по касательной — именно жидкая магма земного происхождения составит основной объем материала, выброшенного в околоземное пространство (рис. 2).

Рис. 2. Сравнение моделей формирования Луны в ходе Гигантского столкновения Земли и Тейи. На симуляции А Земля покрыта океаном магмы, на симуляции B — твердой оболочкой. Темно-серым цветом обозначено ядро Земли, желтым — мантия, красным — океан магмы, светло-серым — ядро Тейи, синим — ее мантия. Указано время (в часах) после столкновения. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Geoscience

Гипотезы о том, что на ранних этапах своего становления Земля была полностью покрыта океаном магмы, выдвигались и раньше (см. L T. Elkins-Tanton, 2012. Magma Oceans in the Inner Solar System и L. Schaefer, L T. Elkins-Tanton, 2018. Magma oceans as a critical stage in the tectonic development of rocky planets), однако геологических подтверждений того, что в истории Земли действительно был такой период, не сохранилось. А провести моделирование, чтобы хотя бы численно проверить возможность образования Луны из «жидкой» Земли, до недавнего времени было проблематично из-за отсутствия алгоритма и необходимых компьютерных мощностей.

Заслуга группы Нацуки Хосоно в том, что они, используя для моделирования (так же как и их предшественники) принцип гидродинамики сглаженных частиц (вычислительный метод, используемый для моделирования динамики жидкости и газов, построенный на делении жидкости на дискретные элементы, называемые «частицами»), написали специальный код для моделирования градиента плотности вещества, а также предложили алгоритм использования внешних вычислительных устройств, позволивший существенно ускорить вычисления.

Из результатов моделирования видно, что после столкновения «частицы» магмы нагреваются и, частично переходя в газообразное состояние, увеличиваются в объеме гораздо сильнее, чем твердые «частицы», образовавшиеся при разрушении Тейи, и именно они составляют основной объем выброшенного на орбиту Земли материала. Это, по мнению исследователей, хорошо объясняет, почему по геохимическим признакам состав нашего спутника гораздо ближе к земному материалу, чем к материалу ударного тела. Предыдущие же модели не учитывали разную степень нагрева и объемного расширения вещества Земли и Тейи при столкновении.

При этом, как показывают результаты моделирования, со временем масса «частиц» земного материала в выброшенном облаке будет только увеличиваться, и к моменту оформления на орбите Земли протопланетного облака Луны (через 40 часов после столкновения) соотношение в нем массы земного вещества и вещества Тейи составит примерно 80/20 (рис. 3).

Рис. 3. Изменение состава протопланетного диска Луны со временем в рамках обсуждаемой модели. По горизонтали — время после столкновения (в часах); по вертикали — масса диска (в единицах массы Луны). Серый — вещество ядра Земли, красный — расплавленное вещество мантии Земли и океана магмы, синий — вещество Тейи. Резкий обвал синей полосы в районе отметки 40 часов соответствует падению на Землю крупнейшего осколка Тейи. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Geoscience

Авторы отмечают, что разработанная ими модель не только подтверждает гипотезу гигантского столкновения, но и освобождает ее от многих ограничений, связанных со скоростью ударного тела и углом столкновения, которые необходимо было закладывать в предыдущие модели гигантского столкновения для получения необходимых параметров механики столкновения.

Объясняет новая модель и обогащенность лунной коры железом по сравнению с земной корой (при том что в целом железа в составе Земли намного больше, чем на Луне, — оно сконцентрировано в земном ядре): поскольку столкновение произошло на самой ранней стадии формирования Земли, когда мантия еще находилась в расплавленном состоянии и процессы дифференциации вещества в ней еще не завершились, то в океане магмы, покрывавшем поверхность планеты, железа было значительно больше, чем сейчас.

Несмотря на то что новая модель предполагает наличие в составе материала, из которого сформировалась Луна, до 80% земного вещества, даже этого может оказаться недостаточно, поскольку изотопный состав кислорода в породах Земли и Луны настолько близок, что допускает лишь минимальное присутствие в составе Луны какого-то другого материала, кроме земного. Так что вопросы еще остаются.

Источник: Natsuki Hosono, Shun-ichiro Karato, Junichiro Makino, Takayuki R. Saitoh. Terrestrial magma ocean origin of the Moon // Nature Geoscience. 2019. DOI: 10.1038/s41561-019-0354-2.

Владислав Стрекопытов