В недрах Земли найдены остатки древней протопланеты, образовавшей Луну

Ученые впервые нашли вещественное доказательство древнего удара космического тела по Земле, который 4,5 млрд лет назад сформировал Луну. Результатом того столкновения стали оставшиеся до наших дней две сейсмические аномалии в недрах Земли, говорится в исследовании, опубликованном в журнале Nature.

Вопрос о происхождении Луны долгое время остается одной из значимых тем исследований для геологов. Согласно устоявшейся в научном мире гипотезе, около 4,5 млрд лет назад молодая Земля столкнулась с крупной протопланетой Тейя размером с современный Марс, и Луна сформировалась из обломков этого столкновения.

Поскольку Тейя и протоземля имели различное происхождение и состав, Луна, состоявшая в основном из вещества Тейи, как предсказывает компьютерное моделирование, должна сильно отличаться по составу от Земли. Однако исследования изотопного состава спутника, сделанные после американских экспедиций, показали высокую схожесть в составах Земли и Луны.

Несмотря на то, что ученым пока не удалось «примирить» наблюдаемые данные о лунных изотопах и легких элементах с гипотезой мегаимпакта, все же она согласуется с рядом важных особенностей системы Земля-Луна, такими, как угловой момент системы, относительно небольшой размер лунного ядра и большая масса самой Луны по сравнению с Землей. Тем не менее, до сих пор учеными не найдено прямых свидетельств мегаимпакта с протопланетой Тейя, который 4,5 млрд лет назад привел к образованию Луны.

В 2017 году профессор Шанхайской астрономической обсерватории Дэн Хунпин начал заниматься проблемой образования Луны, разработав новый метод вычислительной гидродинамики, хорошо моделирующий турбулентные движения и смешивание вещества при подобных ударах.

Эта модель показала, что после соударения верхние, расплавленные слои земной мантии должны были перемешаться с веществом Тейи, а нижние оставаться преимущественно твердыми, и сохранять состав протоземли. При этом ученые показали, что неоднородности в составе мантии Земли после удара должны сохраниться до наших дней и служить вещественным доказательством древней катастрофы. «Наши выводы ставят под вопрос традиционное представление, что мегаимпакт привел к однородности структуры древней Земли, — считает Дэн. — Напротив, сформировавший Луну удар, похоже, стал причиной неоднородности ранней мантии и стал отправной точкой для геологической эволюции Земли на протяжении 4,5 млрд лет».

По мнению ученых, этими впечатавшимися в тело Земли неоднородностями являются уже известные науке аномалии в ее строении — так называемые Крупные области с низкой скоростью сдвига ( Large low-shear-velocity provinces, LLSVP). Это — две гигантские структуры нижней части мантии, прилегающие к внешнему ядру планеты. Обнаружены они были сейсмологами, обратившими внимание на то, что в этих областях мантии сдвиговые волны распространяются медленнее. Одна из этих областей расположена под Африкой, вторая — частично под Атлантическим океаном. Коллеги Дэна из Калифорнийского технологического института предположили, что эти аномалии представляют собой остатки вещества Тейи, которые проникли в нижние части земной мантии. Проведя новое моделирование, ученые показали, что при ударе значительная часть вещества Тейи (порядка 2% от массы Земли), действительно могла достичь нижних слоев земной мантии.

Проведенные расчеты показали, что эти области, по составу более схожие с Луной, действительно содержат больше железа, что делает их более плотными. По этой причине они быстро опустились вглубь мантии после удара, и сформировали две сейсмические аномалии, существующие по сей день.

При этом глубокое залегание этих аномалий не означает невозможность изучения их состава. По словам ученых, небольшие количества древнего чужеродного вещества способны выносить к поверхности конвективные вертикальные потоки в мантии, подобные тем, что в недавнем геологическом прошлом образовали Гавайские острова и Исландию. Геохимики, изучавшие изотопный состав газов, содержащихся в исландских базальтах, ранее обнаружили, что он отличается от изотопного состава газов в типичных поверхностных минералах.

Новое открытие может не только стать новой вехой в изучении происхождения Земли и Луны, но и дать ключ к пониманию происхождения других объектов Солнечной системы и внесолнечных планет. «Области LLVP, таким образом, могут быть естественным результатом образовавшего Луну гигантского удара. Поскольку мегаимпакты часты на завершающих стадиях образования планет, схожие неоднородности мантии, вызванные ударами, могут также существовать во внутренних областях других планетных тел», — считают авторы.