Новые гипотезы возникновения Луны

Автор: admin   
ноября 1,
2012

Несколько групп астрономов в своих работах в очередной раз подтвердили самую известную на настоящий момент гипотезу возникновения Луны – в результате столкновения. Однако, история с этой гипотезой далека от завершения, т.к. в работах использовались разные схемы столкновения, и свести их в одну теорию, скорее всего не получится. По-видимому, этими работами спор о происхождении земного спутника все еще не закончен.

В начале XXI века у астрофизиков все еще нет единого мнения о происхождении Луны. Однако есть множество различных гипотез относительно этого события. Одни ученые полагают, что Луна «отлепилась» от Земли во время ее формирования. Другие, что Луна была захвачена гравитационным полем нашей планеты, когда пролетала мимо (считается, что именно так у Марса появились Фобос и Деймос). Третьи утверждают, что Луна — это полноценное небесное тело, сформировавшееся вместе с Землей из протопланетного диска вокруг тогда еще относительно молодого Солнца 4,5 миллиарда лет назад (так спутниками обзавелись, например, газовые гиганты). Время происхождения земного спутника ученым уже было известно благодаря целому спектру различных методов — от радиоизотопного анализа доставленных на Землю образцов лунного грунта до подсчета кратеров. В рамках последнего, грубо говоря, считается количество воронок и делится на среднее количество метеоритных осадков в году, полученное с помощью другой методики.

Против каждой из этих гипотез были серьезные возражения. Например, для того чтобы Луна под воздействием центробежных сил самостоятельно отцепилась от комка раскаленной материи, который представляла собой Земля на раннем этапе развития, у нашей планеты должна была быть огромная угловая скорость. Если говорить о гравитационном захвате, то захваченное тело, чтобы остаться на земной орбите, должно было каким-то образом растерять энергию. Единственный вариант — взаимодействие с атмосферой, что, конечно, потребовало бы от Луны слишком близкого прохождения рядом с Землей. Наконец, версия о совместном формировании не подходила из-за дефицита, например, железа в лунном грунте. При этом все три гипотезы не могут объяснить большой момент импульса системы Луна-Земля.

В 2000 году швейцарец Алекс Халлидей опубликовал в журнале Earth and Planetary Science Letters статью, в которой предложил обоснование гипотезы в то время более фантастической нежели научной. По его мнению, Луна могла сформироваться в результате столкновения Земли с небесным телом под названием Тейя. Такое имя было выбрано в честь матери богини Луны Селены в греческой мифологии.

В результате столкновения часть земной массы была выбита на орбиту, где спустя некоторое время остыла — растеряв по ходу этого процесса некоторые металлы (помимо железа еще и натрий, калий, цинк и свинец) — и сформировала Луну. Эта теория неплохо объясняла большое значение углового момента Земля-Луна. С этой статьи ударная гипотеза стремительно набрала популярность и на настоящий момент она является если не самой главной, то, по крайней мере, самой популярной в научной среде.

В пользу гипотезы столкновения говорит, например, отсутствие на Луне «подвижных» элементов, таких как натрий, калий, цинк и свинец. Соответствующие металлы легко испаряются, поэтому должны были покинуть в свое время раскаленную прото-Луну. С другой стороны, гипотеза столкновения не объясняет практически идентичного изотопного состава других элементов на Земле и Луне, ведь согласно ей большинство вещества Луны пришло из Тейи.

Через год уже в Nature появилась статья, которая сформулировала основной критический тезис в адрес теории о столкновении. Согласно результатам компьютерного моделирования, Луна должна была состоять преимущественно из материала, принесенного Тейей. Это означало, что, несмотря на объяснение проблемы момента и дефицита одних изотопов в коре Луны, ударная гипотеза не могла объяснить сходства с земной корой по другим изотопам. Решению этой проблемы было посвящено огромное количество работ, вышедших за последние 11 лет. Можно упомянуть лишь две самые свежие и привлекшие максимум  внимания профильных СМИ.

В августе 2011 года в Nature вышла статья, в которой ученые предложили гипотезу под названием «большой шлепок». Авторы предположили, что после столкновения Земли с Тейей образовалась не одна, а две луны. Все это происходило на относительно невысоких угловых скоростях (отсюда и «шлепок» вместо «удара» в названии). После две Луны слиплись в одну и образовался привычный нам земной спутник. Этот сценарий позволил объяснить многие особенности строения Луны, включая особенности состава — в частности, поскольку подобный сценарий способствовал, грубо говоря, лучшему перемешиванию

В июле 2012 года в Icarus появилась статья (препринт), в рамках которой ученые предположили, что Тейя после удара не «влилась» в Землю, а, выбив кусок, улетела восвояси. Это, среди прочего, снимает ограничения на первоначальный угловой момент системы Земля-Луна в компьютерной модели — часть момента мать Селены просто унесла с собой. По словам ученых, ранее такой сценарий не рассматривался из-за недостатка вычислительных мощностей, но новые компьютеры сделали его изучение реальностью. В работе, например, одна только Луна моделировалась 10 тысячами отдельных частиц — детализация модели превосходила все, что было сделано до этого.

Выяснилось, что отказ от такого ограничения имеет самые существенные последствия для модели. Так, оказалось, что Луна при этом сценарии не только формируется, но и многие ее физические и изотопные параметры оказываются близки к наблюдаемым. Более того, модель не требовала тонкой подгонки начальных условий, что также может служить, пусть и неформальным, но аргументом в пользу близости модели к реальности.

Но остался главный нерешенный вопрос: что стало с Тейей? Ученые планируют продолжить работу в этом направлении и, возможно, вычислить местоположение остатков этого небесного тела. Если их существование удастся подтвердить экспериментально, то это станет весомым аргументом в пользу такой гипотезы.

Что касается новых работ, то все они посвящены уточнению сценария возникновения Луны в результате столкновения с Тейей. Первая работа, которая опубликована в Nature, посвящена изучению изотопного состава Луны по образцам, доставленным на Землю в рамках программы «Аполлон». Ученые под руководством американца Джеймса Дэя из Калифорнии провели самый точный на сегодняшний момент анализ содержания цинка в лунной коре. Этот анализ, по словам самого Дэя, дал просто замечательные результаты. «Как планета или, в данном случае, небесное тело, могло избавиться от всех летучих веществ? Конечно же только при помощи некоторого глобального расплава поверхности, который и дал достаточно тепла для испарения, например, цинка. Это очень серьезный аргумент в пользу катастрофического происхождения Луны,» — заявил Дэй.

В другой работе, опубликованной в журнале Science, развивается теория так называемого гигантского удара. Согласно этой гипотезе, в столкновении участвовали не одно большое (Земля) и одно маленькое (Тейя размером с Марс) небесные тела, а две примерно одинаковые протопланеты, каждая массой около половины земной. Моделирование, проведенное Робин Кэнап из Колорадо, показало, что в этом случае оба тела разрушатся, но достаточно быстро соберутся в одно большое. При этом вокруг новообразовавшейся планеты останется облако обломков, из которых позже вполне может сформироваться Луна. «Даже если оба тела изначально имели разный состав — а так, скорее всего, и было — то в результате такого сценария они хорошо перемешиваются. В результате и само тело и диск вокруг него имеют примерно одинаковый состав.»

В третьей работе, опубликованной в Science, ученые из Гарварда Матья Чук и Сара Стюарт рассматривали очень маленькую Тейю — меньше, чем в традиционных моделях. При этом скорость столкновения была много выше, равно как и скорость вращения самой Земли. Как и в предыдущей работе, столкновение приводит к формированию диска, из которого позже образуется Луна.

Интересно то, что моделирования в двух работах дали совершенно разные размеры и скорости Тейи, которые, к тому же, не совпадают с традиционными. В одном варианте ее размер был равен размеру прото-Земли, а в другом — существенно меньше даже размеров Марса.

Ранее другая группа исследователей показала, что часть Тейи могла покинуть место столкновения и образовать третье (помимо Луны и Земли) небесное тело.

Новые работы заслуживают внимания, т. к. предложенные в них новые модели можно рассматривать как первые попытки применить новые данные о динамике вращения Земли к изучению процесса возникновения Луны. Это шаг вперед, поскольку новые данные делают возможными ранее невозможные столкновения. Скорее всего, в ближайшие годы последует целый шквал работ, которые подтвердят результаты одних, опровергнут выводы других. Или, быть может, будут предложены совершенно новые сценарии возникновения Луны. И все в рамках гипотезы о столкновении.

Обе статьи Science основаны на недавних результатах моделирования динамики вращения Земли. В частности, Чук и Стюарт обнаружили явление, которое они назвали «эвекционный резонанс» (evection resonance). Суть эффекта сводится к тому, что после столкновения Земля могла снизить скорость в несколько раз больше, чем считалось до сих пор. Как следствие, Кэнап, Чук и Стюарт моделировали столкновение при очень высокой первоначальной (то есть до столкновения) скорости вращения Земли — в 2 — 2,5 раза больше, чем в прежних моделях. Скорости столкновения тел также были выше.

У теории столкновения есть довольно существенные недостатки, но не такие, чтобы отвергать саму модель. Один такой недостаток состоял в том, что Луна обеднена летучими элементами. При этом нет следов изотопного фракционирования. Там не хватает не просто воды или углерода, то есть того, что явно улетает, но и таких элементов, как калий, рубидий, свинец, кремний, входящих в состав твердых пород.

В 2004 году была опубликована работа Робина Кэнапа, из которой следовало, что никаким способом невозможно сделать так, чтобы при столкновении вылетала мантия Земли. То есть как минимум на 80 процентов — и это при самых благоприятных углах вхождения и прочих условиях — Луна состоит из вещества ударника.

Между тем доказана гетерогенность изотопного состава космических тел: изотопный состав у метеоритов, Земли, Марса и прочих тел — разный. Поэтому если импактор — это какое-нибудь чужеродное тело, а тем более тело, которое должно было лететь под углом 45 градусов к орбите (довольно высоким, чтобы все произошло как надо), то оно сугубо чужеродное, совсем из другого района Солнечной системы и, значит, должно иметь какой-то другой изотопный состав.

Однако изотопный состав во многих элементах у Луны и Земли оказывается одинаковым. Сначала это выяснилось для кислорода. Стали появляться работы, пытавщиеся объяснить этот эффект.

Но тут одни за другими начали появляться данные о том, что не только кислород, но и другие элементы на Земле имеют тот же изотопный состав, что и на Луне. Причем, самое главное, среди них оказались тугоплавкие, такие как, например, вольфрам и титан.

 

Эрик Галимов

Одной из альтернатив теории мегаимпакта является гипотеза российского геохимика, академика РАН и в настоящее время директора Института геохимии и аналитической химии Вернадского Эрика Галимова. Гипотеза заключается в том, что Луна и Земля образовались как пара — примерно по той же модели, что и двойные звезды. Как известно, они формируются, если вращательный момент облака достаточен для того, чтобы произошла фрагментация сгустка. Так, в принципе, могут образовываться не только двойные, но и тройные звезды, и так далее — главное, чтобы момент был достаточный.

Предполагается, что Земля и Луна сформировались из газопылевого облака. Но здесь важно понять, что на самом деле фрагментация произойдет, если вращательный момент будет достаточно велик.

При газопылевом сгущении все частицы раздельны и при адиабатическом сжатии начинают нагреваться и испаряться. И когда эти частицы испаряются, возникает импульс, который направлен против гравитационного взаимодействия. При гравитационном взаимодействии они притягиваются, а благодаря испарению они отталкиваются. Вот благодаря этому отрицательному члену в системе уравнений, которые это все описывают, и будет происходить фрагментация.

Если частицы нагреваются, то они теряют летучие элементы. А если они теряют летучие, то оказывается, что они будут терять еще и железо. То есть железо теряется не в результате того, что была сначала дифференциация, железное ядро, на самом деле железо теряется в процессе испарения. При этом оно теряется быстрее, чем кремний. А вещество в остатке обогащается тугоплавкими элементами алюминием, титаном, кальцием, как это и наблюдается на Луне.

Правда, есть еще одна деталь, которая мешала, вообще говоря, прийти к таким выводам. В 1970-е годы была работа Ларимера и Гроссмана, посвященная тому, как происходило концентрирование космического вещества во время образования планет. Из этой работы следовало, что железо конденсируется вместе с тугоплавкими элементами после алюминия, титана и кальция (потом уже магний и прочее). Но работа Ларимера и Гроссмана была про металлическое железо. Если идет другой процесс, если есть окись железа, то она испаряется наряду с относительно легко испаряющимися элементами — после калия и натрия. Поэтому есть разница: идет конденсация из какого-то горячего облака или испаряется частица, которая уже существует. Если испаряется частица, то она теряет железо.

Трехмерная модель Галимова-Кривцова

Далее происходит коллапс и последующая фрагментация, и образуются зародыши будущей Земли и Луны, оба обедненные летучими элементами и железом. Но есть математическая закономерность: если один фрагмент меньше другого (а это почти всегда так — асимметрия при фрагментации обязательна), то на больший фрагмент из облака осядет много больше материи, чем на меньший. Проводились расчеты для соотношения первоначальных фрагментов один к четырем и получили отношение осевшего материала один к восьмидесяти. Так что маленький кусок (будущая Луна) вырастет во время оседания всего на 30 процентов. То есть, он, как был обеднен летучими и железом, так и останется, а больший фрагмент вырастет в 26 раз, то есть, на него осядет практически весь первичный материал исходного облака. Получается, что два тела, образовавшиеся из одного облака, имеют одинаковый изотопный, но разный химический составы: тогда Земля будет иметь тот состав, который она и имеет — углисто-хондритовый, а Луна, состав, измененный высокотемпературным процессом. Более того, проводились лабораторные эксперименты с плавлением и испарением углисто-хондритового вещества. Это, по сути, первичное вещество — самое примитивное вещество Солнечной системы, из которого все в дальнейшем и образовалось. Опытным путем выяснили, что при испарении углисто-хондритового вещества примерно на 40 процентов в остатке получится буквально состав Луны.

Исследования проводил японский ученый Хошимото в 80-е годы прошлого века. Но его не интересовал этот аспект работы, он занимался этим вопросом в процессе изучения метеоритов.

Эта гипотеза многое объясняет. Почему изотопный состав у тел совершенно одинаковый — потому что все возникло из одного облака. Но поскольку после формирования тела жили по-разному, химический состав у них, конечно же, разный. Решается и проблема с отсутствием фракционирования изотопов при потере летучих, являющаяся одной из трудностей гипотезы мегаимпакта. В нашем случае испарение происходит в закрытом пространстве между частицами – изотопное фракционирование в этом случае близко к нулю – а летучие вещества удаляются в потоке газа носителя (водорода, водного пара).

Угловой момент теория мегаимпакта объясняет ударом. А как быть с ним, если удара не было? Авторы этой гипотезы придерживаются мнения, что система Земля-Луна имеет нормальный, а не аномальный угловой момент. Если провести так называемую линию ротационной неустойчивости, то большинство тел не только Солнечной системы, но и звезд, и всех больших планет, астероидов — все они ложатся на такую линию, параллельную, близкую к линии ротационной неустойчивости. И система Земля-Луна тоже практически ложатся на эту линию. Ученые считают, что исключением является не Земля — исключениями являются Марс, Меркурий и Венера (Марс, кстати, в меньшей степени).

 

Линия ротационной неустойчивости

Если рассматривать только каменные планеты Солнечной системы, то Земля получается исключением. Но если рассматривать все планеты и все тела, то исключением оказываются три планеты сразу, а система Земля-Луна — это то, что соответствует норме. Земля без Луны является таким же исключением, как и остальные каменистые планеты. Почему? Скорее всего, это объясняется взаимодействием с Солнцем — из-за этого взаимодействия они и растеряли угловой момент. Возможно, это каким-то образом связано еще с историей тех газопылевых образований, из которых все возникало. Возможно, Луны служили для закрепления нормального орбитального момента. В общем, проблема углового момента на самом деле надумана, и в действительности ее нет. Есть проблема углового момента Меркурия и Венеры — вот здесь можно рассуждать о том, почему так получилось, почему они являются исключением. Но Земля с Луной таким исключением не являются, так что здесь не требуется каких-то ухищрений, связанных с увеличением их углового момента.

На основании этой гипотезы, Луна должна была сформироваться примерно через 50 миллионов лет после формирования Солнечной системы, за 70 миллионов лет до формирования Земли. Это время фрагментации, конечно, а полностью Луна сформировалась чуть позже. И это все научные расчеты, основанные на современных изотопных системах.

 

 

lenta.ru

Tags: , , , , ,

Эта статья была опубликована: Четверг, ноября 1, 2012 в 10:58 в категории Луна. Вы можете читать любые ответы через RSS 2.0 feed. You can leave a response, or trackback from your own site.

Ваш комментарий

Имя (*)
email (*)
вебсайт
Комментарий
Перед отправкой формы:
Human test by Not Captcha