Тайна рождения Луны

С каждым годом нам приходится усложнять модели внутреннего строения Луны.

Джеймс Уильямс, лаборатория реактивного движения НАСА.

С древнейших времен люди изучали Луну — самое яркое небесное тело ночного неба. До начала эры космических полетов знания о ней были крайне скудны. Не представлялось возможным выяснить внутреннее строение естественного спутника нашей планеты, ответить на вопрос, как произошла Луна и почему она всегда повернута к Земле одной стороной.

Но и после того, как множество автоматических аппаратов исследовало Луну, 12 астронавтов ходили по ее поверхности и привезли на Землю более 360 кг проб грунта и камней, она не спешит раскрывать все свои тайны.

Большая тройка

До полета американских астронавтов к Луне основными в научном мире считались три гипотезы образования Луны. В англоязычной литературе их называли «Большой тройкой».

Первая гипотеза — «центробежное отделение». Эту гипотезу в 1878 г. выдвинул Джордж Дарвин, сын знаменитого Чарльза Дарвина. Он предположил, что молодая Земля вращалась с очень высокой скоростью. Под действием центробежных сил от нее оторвался крупный кусок вещества. Из этого вещества впоследствии образовалась Луна.

Вторая гипотеза — «захват извне». Ее выдвинул в 1909 году американский астроном Томас Джеферсон Джексон Си. По этой гипотезе, Луна сформировалась как независимая планета где-то в Солнечной системе, а затем сблизилась с Землей и была захвачена ее гравитацией, став спутником.

Третья гипотеза — «совместное рождение». Тщательно разрабатывалась многими мыслителями и учеными, начиная с Канта и Лапласа. Гипотеза предполагает, что Земля и Луна просто выросли на одной орбите, как двойная планета, из первоначального протопланетного газопылевого роя частиц.

Полет на Луну

Проведенные астронавтами «Аполлонов» исследования привели к неожиданному результату — полученные данные противоречили всем трем существовавшим на тот момент теориям происхождения Луны.

Большинство образцов лунных пород оказались базальтами (базальты -самые распространенные магматические породы на поверхности Земли), почти такими же, как и на нашей планете. Но в лунных породах обнаружили большее содержание, чем в земных, тугоплавких элементов и меньшее летучих, таких как водород, фтор, инертные газы.

Выяснилось, что породы лунной и земной коры практически идентичны по соотношению стабильных изотопов кислорода (это соотношение называют «кислородной подписью»). Такая идентичность свидетельствует о том, что Земля и Луна сформировались из одного исходного материала и на одинаковом расстоянии от Солнца. Радиоизотопный анализ также показал, что оба небесных тела имеют примерно одинаковый возраст: около 4,5 миллиардов лет. После получения таких данных гипотеза захвата Луны извне отпала сама собой.

Сейсмические исследования недр опровергли и гипотезу о совместном рождении Земли и Луны. Внутреннее строение Луны разительно отличалось от земного. Выяснилось, что железосодержащее ядро Луны очень мало, на его долю приходится не более 2,5 % массы Луны (у Земли ядро занимает около 30 %). В связи с этим, как предполагают, плотность Луны соответствует плотности земной мантии и почти вдвое меньше средней плотности Земли. Такие значительные отличия опровергают гипотезу одновременного рождения из газопылевого облака — трудно представить, что два тела вырастают рядом из одного орбитального слоя вещества, но при этом одно из них забирает железо, а второе остается практически без него.

Дарвиновская гипотеза центробежного отделения тоже была поставлена под сомнение, так как требуемая для центробежного отрыва скорость вращения чрезмерно велика (один оборот Земли за 1-2 часа). Момент импульса вращения Земли в таком случае должен был в 3-4 раза превышать нынешний (и так необычно высокий). Появление у сформировавшейся Земли такого момента импульса вращения невозможно объяснить, как невозможно объяснить и его последующее исчезновение.

Пришлось ученым искать совершенно иную гипотезу, способную объединить воедино все новые данные о строении Луны.

Теория гигантского столкновения

И вскоре такая гипотеза была высказана Уильямом Хартманом и Дональдом Дэвисом в статье, напечатанной журналом (1975 г.). Она получила название «Теория гигантского столкновения” и в настоящее время является господствующей в научном мире гипотезой формирования Луны.

Суть ее такова. 4,5 миллиарда лет назад, вскоре после формирования, Земля столкнулась с планетой, названной Тейя, близкой по размеру современному Марсу. Удар пришелся не по центру, а под углом (почти по касательной). В результате часть вещества земной мантии была выброшена на околоземную орбиту. Из этих обломков собралась Луна и начала обращаться по орбите. Земля в результате удара получила резкий прирост скорости вращения и заметный наклон оси вращения.

Подтверждают гипотезу образцы лунных пород, которые по составу изотопов кислорода почти идентичны веществу земной мантии. Малый размер лунного ядра хорошо вписывается в версию формирования Луны в основном из выброшенного при ударе более легкого вещества мантии Земли. Однако не всё гладко и с этой теорией, есть множество критиков, указывающих на ее недостатки.

Новая гипотеза

Предлагается новая гипотеза рождения Луны, которая позволяет уточнить нестыковки в теории гигантского столкновения, объяснить некоторые неясные моменты во внутреннем строении естественного спутника нашей планеты, ответить на вопрос, почему он всегда повернут к Земле одной своей стороной.

Предполагается, что молодая Земля 4,5 миллиарда лет назад столкнулась не с планетой, как считают сейчас ученые, а с кометой таких же размеров. До сих пор астрономы не встречались с блуждающими планетами, размером с Марс. Современные модели предполагают, что в ранней Солнечной системе столкновения небесных тел происходили много чаще, чем сейчас, но это касается лишь мелких планет. Большая планета должна была выйти на устойчивую орбиту и не столкнулась бы с Землей.

Другое дело кометы. Они движутся по сильно вытянутым орбитам, значительно отдаляясь от Солнца, часто пересекают орбиты планет. И сейчас многие кометы проходят недалеко от Земли, а миллиарды лет назад количество комет было в разы больше, столкновение с одной из них кажется вполне вероятным.

Известные сейчас науке кометы много меньше по размерам, чем гипотетическая планета Тейя. Этот факт легко объяснить, зная, что кометы при каждом проходе возле Солнца безвозвратно теряют часть своего вещества (оно уходит в хвост). Следовательно, 4,5 миллиарда лет назад кометы были намного больше, чем сейчас, и энергии удара одной из них было вполне достаточно, чтобы выбить из Земли строительный материал для будущей Луны.

Еще одно слабое место в теории гигантского столкновения — согласно расчетам, удар должен был произойти не по центру молодой Земли, а по касательной, словно Тейя каким-то образом сумела погасить часть энергии и слегка изменила траекторию своего движения перед столкновением.

Идея с кометой позволяет объяснить и это. При подлете к Солнцу кометы нагреваются и начинают испускать часть своего вещества — мы наблюдаем это в виде хвоста. У молодых комет истечение нагретых газов, по-видимому, происходило еще активнее, и одна такая направленная струя могла слегка погасить скорость и привести к удару по касательной.

Еще один вопрос в теории гигантского столкновения: куда делись обломки Тейи? Согласно современным представлениям, Луна почти полностью построена из вещества земной мантии. Другое дело, если мы предположим столкновение с кометой. Комета состоит из смеси замерзших газов (азот, метан), водяного льда и примеси некоторых тугоплавких редкоземельных элементов. При столкновении газы просто испарились от энергии удара. Поэтому ученые и не могут найти обломки Тейи.

Последствия столкновения для Земли

Как же удар кометы повлиял на Землю? Столкновение произошло в тот момент, когда вещество молодой Земли уже начало расслаиваться по плотности. Тяжелые элементы опустились глубже, а поверхность покрылась тонкой коркой более легких веществ. Во время удара часть этой корки была выброшена на околоземную орбиту, и возместить недостаток Земле было уже нечем.

Это привело к дефициту в земной коре фельзических («светлых») и промежуточных пород, которых недостаточно для полного покрытия поверхности Земли. В результате мы имеем материки, состоящие из относительно легких пород, и океанские бассейны, состоящие из более темных и тяжелых металлосодержащих пород. Такая разница позволяет функционировать системе тектонического движения литосферных плит, образующих земную кору. Столкновение затронуло почти половину коры, вызвав ее безвозвратную потерю для Земли. С тех пор континенты и блуждают по планете, периодически сталкиваясь и опять распадаясь.

Удар кометы, предположительно, также привел к наклону земной оси, что сейчас является причиной смены времен года, и передал планете дополнительный импульс вращения.

Еще один интересный вывод. Вещество кометы, испарившись, было захвачено притяжением Земли и сформировало первую влажную атмосферу, насыщенную азотистыми соединениями, метаном и водяным паром — веществами, из которых состоят кометы. В результате длительной эволюции водяной пар сконденсировался и образовал океаны, а атмосфера превратилась в то, что мы можем наблюдать сейчас.

Многие и раньше предполагали, что воду на Землю принесли кометы, но была одна проблема — мелкие кометы должны падать относительно равномерно, и тогда на всех планетах земной группы воды (льда, пара) будет поровну. Однако это не так. Другое дело если к формированию уникальных земных условий привело всего ОДНО столкновение. Получается, что образование жизни на Земле — не случайность, а закономерное отдаленное последствие древней катастрофы — столкновения с кометой.

Масса гипотетической кометы, столкнувшейся с землей, превышает массу воды на нашей планете. Это связано с тем, что, во-первых, комета не состоит на 100 % из водяного льда, а, во-вторых, часть вещества кометы была выброшена на околоземную орбиту и участвовала в формировании Луны.

Рождение Луны

В соответствии с предлагаемой гипотезой Луна формировалась из обломков кометы и вещества земной мантии, выброшенного на околоземную орбиту. Вначале процесс протекал по тем же законам, что и у других планет земной группы. Облако собралось в протолуну, под действием гравитации начались нагрев спутника и разделение его вещества по плотности.

Спутник нашей планеты получил некоторое количество тяжелых элементов для формирования своего маленького железосодержащего ядра из двух источников. Во-первых, в обломках земной коры содержалось некоторое количество железа. Во-вторых, кометы (и это доказано современной наукой) содержат в себе редкоземельные тугоплавкие металлы, поэтому их содержание в лунных породах несколько выше, чем в земных.

В этот период Луна вращалась вокруг своей оси быстрее, чем сейчас. И этого хватило ей, чтобы, даже имея относительно малое ядро, ненадолго обзавестись магнитным полем. Ученые из Массачусетского технологического института и Геохронологического центра в Беркли нашли следы остаточной намагниченности лунных пород.

Но дальнейший разогрев привел к тому, что кометный лед, из которого частично сформировалась Луна, растаял, превратился в газ и начал выходить наружу. Вслед за газом из лунных недр следовала раскаленная лава. Из-за малых размеров гравитация Луны не могла удержать вокруг себя атмосферу, и горячий газ рассеялся в окружающее пространство.

Остатки этого газа сегодня известны науке, как Облако Кордылевского -скопления мелкой межпланетной пыли в точках Лагранжа (равновесия) системы Земля-Луна, открытые польским ученым Казимиром Кордылевским в 1956 г.

Поэтому Луна внутри — тело пористое, имеет множество пустот и полостей. Это одна из причин низкой средней плотности Луны, что подтверждается следующими фактами:

— до 30% лунных камней имеют ячеистое строение, как показано на фото. Это типичная порода с ямками, образовавшимися при выходе горячих газов ;

— лунотрясения на Луне продолжаются аномально долго. После падения ступени корабля «Аполлон» колебания лунной поверхности стихали в течение 4 (!) часов. Это можно объяснить только наличием пустот глубоко под поверхностью;

— автоматические станции обнаружили на Луне глубокие пещеры, которые могли образоваться при выходе газов из недр планеты;

— в 1990-х годах в некоторых лунных кратерах удалось найти водяной лед;

— на Луне до сих пор наблюдаются так называемые «кратковременные явления» — выбросы туманного вещества, по-видимому, это выход газов из недр на поверхность.

В центре Луны

Лунное ядро, представлявшее из себя разогретую вязкую массу, под действием притяжения Земли начало «перекатываться” внутри пустот, образовавшихся при выходе газов. Таким образом, с каждым оборотом Луны вокруг своей оси она теряла много энергии на «перекатывание» ядра. Это в итоге привело к полной синхронизации Луны и Земли (периоды обращения Луны вокруг Земли и собственной оси сравнялись). Затем остывшее ядро, смещенное в сторону Земли, застыло и прекратило «перекатываться».

И здесь указанная гипотеза тесно перекликается с идеей «орехообразной Луны», разработанной в 1970-х годах профессором Валентином Киселевым, вот только о кометном льде, как причине образования пустот, его гипотеза умалчивала.

Киселев пишет: «Образовавшиеся пустоты привели к перемещению лунного ядра по линии Земля — Луна. Данные, полученные с помощью искусственных спутников, показывают, что центр массы Луны по сравнению с геометрическим центром смещен в сторону Земли на 2 км. Значит, ядро прижато к ближней к Земле части оболочки, а наибольший зазор между ядром и оболочкой располагается в удаленной от Земли области. Его величина — около 5 км. При столкновении, соприкосновении ядра с оболочкой в зоне контакта, возможно, произошли местные разрывы с выходом расплавленной массы на поверхность Луны, растеканием по ней и образованием так называемых «морей». Становится понятным, почему моря располагаются на видимой стороне Луны и их практически нет на невидимой”.

Приведенная в этой статье гипотеза происхождения Луны требует серьезной проверки. Но неоспоримо, что событие, приведшее к рождению Луны, сильно отразилось на развитии нашей планеты, возможно, без него на Земле не зародилась бы жизнь. И чем больше мы исследуем Луну, чем лучше мы будем знать ее историю и внутреннее строение, тем точнее будут наши представления о своей планете и о нас самих. Все-таки не зря древние народы изучали Луну.

 

автор А. Цуриков