Прошло полвека с тех пор, как люди ступили на Луну, но лунные породы, которые они собрали, по-прежнему раскрывают важную информацию о нашем светлом соседе. Некоторые из этих образцов хранились десятилетиями, чтобы их можно было изучить с помощью более совершенных научных инструментов, и теперь лунный материал, собранный в 1972 году, показал, что Луна на миллионы лет старше, чем считалось ранее.
Изучив атомные следы, сохранившиеся в кристалле циркона, одного из древнейших минералов, образовавшихся при формировании Луны, учёные определили, что возраст Луны составляет не менее 4,46 миллиарда лет. Возраст, опубликованный на этой неделе в журнале «Геохимические перспективы», сдвигает ранее измеренные даты на 40 миллионов лет назад, ближе к началу формирования Солнечной системы, которое произошло примерно 4,57 миллиардов лет назад.
Определение возраста Луны может помочь учёным восстановить последовательность событий в критические первые дни. «Время — это всё, — говорит первый автор исследования Дженника Грир, космохимик из Университета Глазго, которая работала над проектом, когда была аспиранткой в Чикагском университете. — Наша Солнечная система существует уже давно, но в первые миллионы лет произошло много динамичных процессов».
Когда Солнечная система была молодой, у новорождённой Земли не было Луны, и она была одинокой планетой, вращающейся вокруг изначального Солнца. Но первые дни Земли были совсем не спокойными. По мнению учёных, в начале истории нашей планеты объект размером с Марс столкнулся с протоземлёй и изменил оба мира.
Жар от столкновения расплавил всё — молодую Землю и разрушителя планет — и соединил два тела в одно. Из этой массы вылетел шар из расплавленной породы меньшего размера, который вышел на стабильную орбиту и со временем остыл, образовав Луну.
Внутреннее пространство Луны затвердело, образовав дифференцированные слои мантии и коры. Из расплавленной породы кристаллизовались новые минералы, и одними из последних сформировались цирконы. Эти кристаллы отражают заключительные стадии затвердевания Луны, знаменуя начало существования нашего естественного спутника в том виде, в котором мы знаем его сегодня.
Подсчет атомов
Цирконы — любимый учёными минерал, потому что они выносливы. Эти кристаллы размером в микрометры могут выдерживать воздействие окружающей среды на протяжении миллиардов лет, сохраняя геохимические секреты своего происхождения. Они также поглощают изотопы урана из окружающей среды по мере своего формирования, что служит своего рода таймером, отсчитывающим время с момента кристаллизации цирконов.
Изотопы урана распадаются на свинец с предсказуемой скоростью. Подсчитав количество образующихся атомов свинца и оставшихся атомов урана, исследователи могут определить, сколько времени прошло с тех пор, как цирконы затвердели из расплавленного материала.
Авторы исследования изучили цирконы, обнаруженные в образце лунной породы, собранном во время миссии «Аполлон-17» в 1972 году, и составили трёхмерную карту атомов. Подсчёт изотопов свинца показал, что возраст образца составляет 4,46 миллиарда лет — это самый древний возраст формирования лунной коры.
Этот возраст был ранее определён коллегами Грир во главе с Бидонгом Чжаном и Одри Бувье в 2021 году, но отчёт вызвал скептицизм. Критики указывали на то, что атомы свинца имеют тенденцию мигрировать, образуя участки с высокой или низкой концентрацией по всей породе. В зависимости от того, где вы смотрите, есть вероятность, что вы можете наткнуться на эти неравномерно распределённые участки свинца и неправильно рассчитать возраст циркона.
Чтобы развеять эти опасения, Бувье обратился к команде Грира с просьбой пересчитать атомы ещё раз, на этот раз с помощью ионного зонда, который мог бы исследовать породу с гораздо более высоким пространственным разрешением, чем тот, что использовался в предыдущем исследовании. Более точный зонд позволил бы команде выявить наноразмерные области с обогащёнными или обедненными атомами свинца, если бы они там были. Но они ничего не обнаружили.
«В этом цирконе всё было однородным, так что нам даже не пришлось об этом беспокоиться», — говорит автор исследования Филипп Хек, космохимик из Филдовского музея и Чикагского университета. Результат подтвердил, что ранее измеренный возраст в 4,46 миллиарда лет был точным.
«Это очень, очень хорошее исследование», — говорит Мелани Барбони, геохимик из Университета штата Аризона, которая не участвовала в исследовании. Барбони изучала другие изотопы в лунных цирконах и обнаружила, что внутренняя часть Луны впервые разделилась на отдельные слои 4,51 миллиарда лет назад. Этот эпизод предшествовал заключительным стадиям формирования коры, описанным в новом исследовании.
Барбони говорит, что новое исследование согласуется с её собственными выводами. «Во многих работах предполагается, что Луна сформировалась гораздо позже, например, 4,3 миллиарда лет назад, — добавляет она. — С учётом этих данных это явно невозможно».
История Луны и Земли
Определение момента затвердевания Луны даёт будущим исследователям отправную точку для моделирования эволюции Луны. «Хронология помогает нам поместить всё в контекст, — говорит Грир. — Тогда мы можем начать понимать происходящие процессы». Знание того, что и когда происходило в годы формирования Луны, может помочь объяснить, почему спутник Земли выглядит так, как сегодня.
Истинный интерес к изучению Луны заключается в том, что она может рассказать нам о Земле. Будучи небесными спутниками с общим происхождением, Земля и Луна связаны между собой. Но, подобно коварному преступнику, геологически активная Земля склонна скрывать и уничтожать свидетельства прошлых событий. Луна — менее коварный спутник: отсутствие тектонической активности означает, что геологические записи на её поверхности сохраняются в течение эонов.
Изучая лунные свидетельства, учёные могут предположить, что могло произойти на Земле примерно в то же время. Например, в результате того судьбоносного столкновения, в результате которого образовалась Луна, Земля стала непригодной для жизни — ничто не могло пережить такое катастрофическое событие, — и вся её вода могла испариться, говорит Грир. Если это так, то в какой-то момент вода должна была вернуться на нашу планету, возможно, в результате столкновения с астероидами, которые также оставили бы следы на Луне.
Хотя новое исследование указывает на то, что формирование Луны завершилось минимум 4,46 миллиарда лет назад, весь процесс, от столкновения планет до окончательного затвердевания, длился тысячелетия. Цирконы представляют собой последние остатки лунного магматического океана — последнюю главу в истории жестокого зарождения Луны и начала её более спокойной эпохи.
И Хек, и Барбони не удивились бы, если бы будущие исследователи нашли более древний циркон, который позволил бы определить ещё более древний возраст Луны. Возможно, более древний кристалл хранится в лунных запасах НАСА, хотя Хек говорит, что они встречаются редко. Или, может быть, на Луне, куда ещё не ступала нога человека, их ждёт ещё больше находок.
В настоящее время разрабатывается несколько миссий по доставке образцов с Луны с тех мест, где никто ещё не бывал. В 2024 году Китай запустит роботизированную миссию, которая доставит образцы с обратной стороны Луны, а миссия NASA «Артемида-3» нацелена на высадку людей на южном полюсе Луны в декабре 2025 года. Новые образцы горных пород, собранные в этих местах, могут помочь уточнить историю происхождения Луны.