Почему две стороны Луны так отличаются

Луна является самым ярким и самым крупным объектом, видимым невооруженным глазом в ночном небе Земли. По сравнению с Венерой, следующим по яркости объектом, Луна в тридцать раз больше по диаметру, занимает почти в 1000 раз больше площади поверхности и кажется примерно в 1,000,000 раз ярче Венеры. Более того, Луна не выглядит как однородный диск, а скорее демонстрирует невероятные различия от места к месту на своей поверхности, даже с нашей ограниченной перспективы здесь, на Земле.

На этой двусторонней мозаике с лунного разведывательного орбитального аппарата НАСА показаны ближняя (слева) и дальняя (справа) стороны Луны с использованием современных технологий. Мы впервые увидели дальнюю сторону только в 1959 году, и нам потребовалось 55 лет, чтобы понять, почему она так отличается от ближней стороны с точки зрения кратеров, морей и толщины коры.

Невооруженным глазом эти различия могут казаться лишь яркими и темными пятнами: так называемый "человек на Луне" - это самая легко различимая деталь. Но если взглянуть через телескоп, вы увидите не только эти темные пятна на фоне более ярких участков, но и горные хребты, кратеры с высокими стенами и лучами, расходящимися от них, и теневое рельеф вдоль границы ночи и дня, известной как терминатор Луны.

Хотя эти особенности могут показаться знакомыми, они все содержат ключи к древней истории Луны и могут помочь нам понять, почему "лицо" Луны, которое мы видим, не единственная важная перспектива.

Аннотированная мозаика ближней стороны Луны, снятая широкоугольной камерой лунного разведывательного орбитального аппарата НАСА. Видны моря, выступающие кратеры, а также стены, лучи и хребты. Мы были настоящим шоком, когда обнаружили, что этот вид ближней стороны Луны не был воспроизведен на ее обратной стороне.

С помощью даже самых простых биноклей или самого дешевого телескопа вы не сможете не заметить две главные особенности Луны:

1. Что она сильно изрезана кратерами, и что более светлые участки в целом более покрыты кратерами, чем темные. Многие кратерные регионы включают маленькие кратеры внутри средних кратеров внутри гигантских кратеров, что является доказательством того, что большие кратеры настолько стары, что новые, меньшие образовались поверх них.

2. Что на ней есть эти темные участки, известные как моря, которые имеют относительно немного и в основном меньшие кратеры. Эти регионы примечательны значительно отличающимся цветом и составом от большей части Луны.

Это правда, что к нам всегда обращена одна и та же сторона Луны, но в течение месяца освещаются разные части лунного полушария, в зависимости от относительного положения Земли, Луны и Солнца.

Хотя Луна приливно привязана к Земле, так что к нашей планете всегда обращена одна и та же сторона, тот факт, что орбита Луны эллиптическая и следует законам движения Кеплера, гарантирует, что в течение месяца она будет раскачиваться вперед и назад. : явление, известное как лунная либрация. В целом с Земли с течением времени видно 59% всей лунной поверхности, а не 50%.

К тому же, из-за эллиптической орбиты Луны, движущейся быстрее, когда она ближе к Земле, и медленнее, когда дальше, видимая нам сторона Луны немного меняется, явление, известное как либрация Луны. Несмотря на то, что это означает, что в течение многих месяцев мы могли бы увидеть до 59% Луны, только 63 года назад, когда советский космический аппарат Луна 3 облетел дальнюю сторону Луны, мы получили наши первые изображения дальней стороны Луны.

Хотя качество изображений было не очень впечатляющим, это было замечательно по неожиданной причине: ближняя сторона Луны кажется совершенно иной, как с точки зрения кратерных, так и морских особенностей, по сравнению с дальней стороной, которая всегда обращена от нас. Это открытие стало настоящим шоком, и десятилетиями, даже когда наше изображение и понимание этой уклончивой стороны нашего ближайшего планетарного соседа улучшались в качестве, мы не имели объяснения, почему существует такое различие.

Оригинальное изображение обратной стороны Луны, полученное советской миссией «Луна-3» (А), а также его современная цифровая реставрация (Б) в сравнении с современным видом обратной стороны Луны, полученным с лунного разведывательного орбитального аппарата НАСА (С).

Так в чем же большие различия между ближней и дальней сторонами?

Одно из первых вещей, которое вы заметите, это почти полное отсутствие темных морей на дальней стороне. Есть одно выдающееся на северном полушарии Луны, но оно маленькое. Возможно, есть несколько меньших, более мелких, соединенных между собой на южном полушарии, но ни одно из них не такое широкое, глубокое или обширное, как любое из тех, что находятся на ближней стороне Луны. Моря кардинально отличаются между ближней и дальней сторонами.

Возможно, второе, что вы заметите, это насколько более выраженными и обширными являются кратеры на дальней стороне. С таким большим количеством поверхности, лишенной этих морей, есть больше регионов, которые кажутся старше и более покрыты кратерами. Это приводит к большему количеству кратеров с лучами, кажущимися расходящимися от них, даже пересекая друг друга на дальней стороне.

Хотя это было впервые обнаружено еще в 1959 году, потребовалось гораздо больше времени, чтобы придумать причину этой загадки. Видите ли, есть очевидное объяснение - которое, возможно, даже пришло вам в голову - но оказывается, что оно неверно.

Этот вид лунной поверхности с Аполлона-8 смотрит на юг, на 162 градусах западной долготы, показывая пересеченную местность, характерную для дальнего полушария Луны. Обильно кратерированные элементы, в том числе множество кратеров внутри кратеров, указывают на его возраст, а отсутствие морей указывает на большую толщину коры, чем на ближней стороне.

Наши наблюдения говорят нам, что Солнечная система полна опасных комет и астероидов, периодически плунжирующих во внутренние области нашей звезды. Когда дела идут хорошо для внутренних миров, эти тела создают зрелищные дисплеи, такие как кометные хвосты и метеорные потоки. Но когда дела идут плохо, одно из этих крупных тел сталкивается с большим, создавая катастрофическое столкновение и, если на мире, который был ударен, есть жизнь, потенциальное вымирание.

"Очевидное" объяснение заключалось бы в том, что когда эти массивные космические камни направляются к Луне с дальней стороны, на их пути вообще ничего нет, и каждый объект, который должен был бы ударить ее, действительно это делает. Но когда вы подходите к Луне с ближней стороны, Земля находится на пути, и мы можем действовать как щит для объектов, которые иначе ударили бы по ближней стороне Луны. Таким образом, Земля могла бы либо поглотить эти удары, либо гравитационно отклонить эти потенциальные удары от Луны.

Это очевидное объяснение.

Хотя Земля может быть большой и массивной по сравнению с Луной, оба тела очень малы по сравнению с расстоянием между ними. Свету требуется около 1,25 секунды, чтобы пройти путь от Земли до Луны в одну сторону, а расстояние между Землей и Луной примерно в 40 раз превышает диаметр Земли.

Но когда мы рассматриваем детали системы Земля-Луна, держится ли это объяснение?

Это хорошая попытка объяснить то, что мы видим, но факт того, что расстояние между Землей и Луной примерно в сорок раз больше диаметра Земли, означает, что разница в количестве ударов по ближней стороне Луны от дальней должна быть менее 1%, когда мы прогоняем числа. И это просто не так; дальняя сторона примерно на ~30% более покрыта кратерами, чем ближняя сторона, огромная разница, которая не может быть количественно объяснена этим эффектом гравитационного отклонения.

Кроме того, это объяснение не предлагает различий для обилия и размера морей, которые появляются на ближней стороне по сравнению с дальней. Считается, что удары не вызывают эти; они являются результатом потоков базальтовой лавы. Факт того, что Земля предлагает небольшую защиту планеты ближней стороне Луны, просто не может объяснить эту особенность.

Так что же объясняет различия между ближней и дальней сторонами? Ответ, оказывается, действительно связан с космическими столкновениями, но не с кометами и астероидами.

В этой анимации представлены спутниковые изображения обратной стороны Луны, освещенной Солнцем, когда она проходит между камерой полихроматического изображения Земли (EPIC) космического корабля DSCOVR и телескопом и Землей на расстоянии одного миллиона миль (1,6 миллиона км). Обратная сторона Луны сильно отличается от ближней.

По сравнению со всем, что наша планета пережила за последние 65 миллионов лет, астероид, который уничтожил динозавров, был большим. Он имел размер примерно от 5 до 10 км в поперечнике, или размер очень большой горы. Но если мы вернемся примерно на 4,55 миллиарда лет назад в историю, мы узнаем, что ударник Чиксулуба абсолютно не был самым крупным столкновением в истории Земли, далеко не это.

Мы даже не осознавали это, пока не привезли обратно камни с Луны и не обнаружили, что они сделаны из точно такого же материала, как и Земля! Это было большим сюрпризом, потому что ни одна другая пара луна/планета в Солнечной системе - ни Юпитер и его луны, ни Марс и его луны, ни Сатурн и его луны - не такие. Почему это так?

Примерно 4,5 миллиарда лет назад, когда Солнечная система была еще в зачаточном состоянии, Земля была почти полностью сформирована и составляла около 90–95% своей нынешней массы. Но был еще один очень большой, размером с Марс планетоид, который находился на почти идентичной орбите к орбите Земли. Десятки миллионов лет эти два объекта нестабильно танцевали, удаляясь и приближаясь друг к другу. И тогда, наконец, примерно через 50 миллионов лет после формирования Солнечной системы, они столкнулись друг с другом!

Когда два больших тела сталкиваются, как это произошло между Землей и Тейей в ранней Солнечной системе, в результате они обычно образуют одно более массивное тело, но обломки, выброшенные в результате столкновения, могут объединиться в одну или несколько больших лун. Вероятно, так было не только с Землей, но и с Марсом и Плутоном, а также с их лунными системами.

Большая часть обеих протопланет в конечном итоге образовала Землю, в то время как большое количество обломков было выброшено в космос. Со временем значительная часть этого мусора слиплась под действием гравитации, образуя Луну, в то время как остальная часть либо упала обратно на Землю, либо улетела в другие места Солнечной системы. Насколько это звучало безумно, когда это было предложено в 1970-х годах, это стало принятой теорией - подтвержденной многими наблюдаемыми явлениями, соответствующими предсказаниям - за последние 40 лет. Кроме того, теперь есть доказательства того, что луны вокруг других каменистых миров, таких как Марс и Плутон, вероятно, также образовались в результате гигантских столкновений.

Это столкновение должно было произойти очень рано в истории Солнечной системы, и Земля все еще была очень горячей, когда это произошло: около 2700 Кельвинов! Луна, которая формировалась, изначально формировалась из диска обломков, который был бы подвергнут воздействию очень горячей Земли во время ее формирования. Есть несколько деталей, в которых мы довольно уверены:

Луна, вероятно, изначально находилась гораздо ближе к нам, вероятно, она стала приливно заблокирована после очень короткого времени, ~100 000 лет или меньше, и даже могла родиться приливно заблокированной, потеряв свой избыточный угловой момент вращения даже до завершения формирования.

Последняя деталь в настоящее время неизвестна, но остается сильной возможностью. Если это так, то большое влияние от наличия этого дополнительного источника тепла (Земли) поблизости в том, какие материалы доступны Луне на обращенной к Земле и обратной сторонах во время ее формирования.

Примерно через 50 миллионов лет после образования Земли на нее столкнулся большой объект размером с Марс, названный Тейя. Последствия столкновения привели к перегреву Земли и поднятию огромного количества обломков, большая часть которых образовала Луну. Остальные либо покинули систему Земля-Луна, либо упали обратно на одно из двух тел. В то время как обратная сторона Луны охлаждалась быстрее, ближняя сторона, обращенная к горячей Земле, оставалась более горячей гораздо дольше.

Только в 2014 году, спустя целых 55 лет после того, как мы впервые увидели дальнюю сторону Луны, исследование Арпиты Рой, Джейсона Райта и Стейнна Сигурдссона, по-видимому, синтезировало эту полную историю и представило необходимые доказательства для ее подтверждения.

То, что они сделали, было замечательно для демонстрации силы этого объяснения. Они рассмотрели событие, создавшее раннюю систему Земля-Луна, и проследили потенциальные пути ее физической эволюции. Сама Луна в конечном итоге формируется из околопланетного диска обломков, окружающего Землю. Если Земля очень горячая, определенные элементы будут истощены ближе к Земле внутри этого диска: элементы, такие как кальций и алюминий. Другими словами, тепло, исходящее от ранней Земли, создает химический градиент внутри диска, приводя к различному составу стороны Луны, ближе к Земле, по сравнению со стороной, дальней от Земли.

Очень сильные приливные силы от Земли, помните, что Земля очень массивна по сравнению с Луной (примерно в 70 раз массивнее) и что Луна в прошлом была ближе к Земле, могли бы легко привести к тому, что Луна формировалась уже предварительно заблокированной для Земли. Если это так, то большее количество кальция и алюминия в дальней части околопланетного диска должно привести к более толстой коре для дальней стороны Луны по сравнению с ближней стороной.

Химический/композиционный градиент к прото-лунному диску во время формирования Луны, следовательно, может быть сохранен сегодня как различие между двумя полушариями Луны. Если бы Луна вращалась быстро, как курица на ротиссери, это было бы невозможно, но если бы Луна испытала практически мгновенную приливную синхронизацию с Землей, это было бы практически неизбежно.

В конце 1969 года можно было увидеть лаву, текущую в кратер Алои во время извержения Мауна-Улу. Когда камень падает в лаву, будь то с Земли или в результате удара инопланетян, ударного кратера не останется, поскольку жидкость просто заново сформируется вокруг места удара. Это относится и к расплавленному материалу на Луне.

Моря, которые мы видим, являются доказательством потоков лавы, произошедших гораздо позже, когда расплавленная порода стекала в великие бассейны и низменности на лунной поверхности. Если ближняя сторона формировалась с более тонкой корой и отличным составом от дальней стороны, это объяснило бы, почему даже миллиарды лет спустя две стороны выглядят так по-разному: с разными размерами и количеством морей на них.

С темными лунными морями, которые не затвердевали до гораздо позже в истории Солнечной системы, легко понять, почему они гораздо менее покрыты кратерами, чем лунные высокогорья, которые были твердыми так долго. Когда ваша поверхность покрывается жидкостью, любые предыдущие удары стираются, как замбони, обновляющий лед на катке. Аналогично, любые удары в это время просто поглощались бы в море расплавленной лавы. Так же, как метеориты, падающие в океаны Земли, те, что приземлялись в древние лунные лавовые океаны, не оставляли шрамов!

Исследование показало, что просто наличие горячей ранней Земли достаточно близко к Луне во время ее формирования - добавив этот односторонний источник тепла - могло создать разницу в толщине коры, а также элементарные и химические различия между двумя сторонами.

Эти шесть ортогональных изображений показывают сочетание ближней и дальней стороны Луны с интервалом вращения 60 градусов, снятых широкоугольной камерой миссии НАСА Lunar Reconnaissance Orbiter. Все изображения центрированы по широте 0 градусов.

Наконец, после более чем полувека размышлений о загадке дальней стороны Луны, мы можем уверенно заявить не только о том, как Луна образовалась, но и почему ее две стороны так отличаются! Мы знаем, что Луна светит, отражая свет Солнца, но кто мог представить, что именно молодая Земля, светящаяся ярко и горячо в небе Луны, сделала бы две стороны такими разными?

И все же это именно то объяснение, которое работает. Неважно, насколько дикой или необычной может быть ваша идея, если она обладает достаточно сильной объяснительной силой для того, чтобы объяснить то, что мы наблюдаем, она может быть именно той необходимой идеей для решения любой головоломки, которую вы рассматриваете. Это лишь часть чуда и радости науки, и волнения от раскрытия секретов нашей реальности!