Откуда взялась Луна? Этот вопрос веками волновал многих людей. И ответ, который мы имеем сегодня, поражает воображение. Давайте вместе пройдем по доступным на сегодня данным, изучим информацию, попытаемся восстановить картину событий, произошедших четыре с половиной миллиарда лет назад.
Данные, которые не сходились
Прежде чем появилась современная теория, ученые выдвигали множество гипотез о происхождении Луны. Но ни одна из них не могла на 100% объяснить все странности и нестыковки, которые мы наблюдали. Луна оказалась настоящей загадкой, космической аномалией, которая не вписывалась в стандартные модели.
Первая странность это ее размер. Луна невероятно велика по сравнению с планетой, вокруг которой она вращается. Ее диаметр составляет более четверти земного. В Солнечной системе нет другой такой пары. У Марса есть два крошечных спутника, Фобос и Деймос, которые больше похожи на притянутые астероиды. У газовых гигантов, Юпитера и Сатурна, есть десятки спутников, но даже самые большие из них ничтожно малы по сравнению с самими планетами. Луна не просто спутник, она полноценный компаньон Земли. Такое соотношение размеров делало маловероятным, что Земля могла просто захватить уже сформировавшуюся Луну своей гравитацией. Физические расчеты показывали, что такое событие почти невозможно. Пролетающее мимо тело с гораздо большей вероятностью либо врезалось бы в Землю, либо было бы выброшено дальше в космос.
Вторая странность скрывалась внутри. Изучая, как гравитация Луны влияет на орбиты космических аппаратов, ученые смогли рассчитать ее плотность. Она оказалась значительно ниже, чем плотность Земли. Это говорило о том, что у Луны очень маленькое железное ядро. У Земли, как и у других каменистых планет, Меркурия, Венеры и Марса, есть большое и плотное ядро из железа и никеля, которое составляет значительную часть их массы. Луна же была как будто сделана в основном из более легких, каменистых пород. Это ставило в тупик гипотезу о совместном образовании. Если бы Земля и Луна сформировались рядом друг с другом из одного и того же облака газа и пыли, они должны были бы иметь схожий состав, включая и пропорции железа. Но этого не наблюдалось.
Третья и самая важная характеристика появилась у людей в руках в 1969 году. Именно тогда Нил Армстронг и Базз Олдрин собрали первые образцы лунного грунта. За шесть миссий программы Аполлон астронавты доставили на Землю 382 килограмма лунных камней и пыли. Когда эти образцы попали в лаборатории, они рассказали ученым поразительную историю.
Во первых, лунные породы показали, что когда то очень давно вся поверхность Луны была расплавлена. Она была покрыта глобальным океаном магмы глубиной в сотни километров. На это указывал состав коры, состоящей преимущественно из анортозита, легкого минерала, который кристаллизовался и всплывал на поверхность этого огненного океана. Такое глобальное плавление требовало колоссального количества энергии. Гораздо большего, чем могло выделиться при обычном формировании планеты.
Во вторых, и это стало настоящим шоком, химический анализ показал, что лунные породы по своему изотопному составу практически идентичны породам земной мантии. Что это значит? Представьте, что у каждого элемента есть свой уникальный паспорт или отпечаток пальца. Это соотношение его различных вариантов, изотопов. Например, кислород существует в виде нескольких стабильных изотопов: кислород шестнадцать, кислород семнадцать и кислород восемнадцать. Соотношение этих изотопов в веществе, его изотопная подпись, является уникальной для каждого тела в Солнечной системе. Породы с Марса имеют одну подпись, астероиды из главного пояса другую. Так вот, изотопная подпись кислорода, титана, вольфрама и многих других элементов в лунных камнях оказалась неотличимой от земной.
Это было невероятное открытие. Оно означало, что Луна и Земля состоят из одного и того же исходного материала. Но как это возможно, если у них такая разная плотность и разный размер ядра? Все эти данные: гигантский размер, маленькое ядро, следы глобального плавления и идентичная изотопная подпись, казалось, противоречили друг другу. Нужна была новая, смелая и даже немного безумная теория, которая смогла бы связать их все воедино.
Появление объекта по имени Тейя
Такая теория появилась в 1975 году и сегодня известна как теория гигантского столкновения. Она превращает скучный процесс планетарной аккреции в эпическую драму с двумя главными действующими лицами.
Представьте себе Солнечную систему четыре с половиной миллиарда лет назад. Это было дикое и хаотичное место. Солнце только что зажглось, а вокруг него в протопланетном диске из газа и пыли шло формирование планет. Этот процесс был похож не на плавное строительство, а на жестокую игру в вышибалы. Десятки, а может и сотни планетных зародышей, или протопланет, носились по неустойчивым орбитам, сталкиваясь, сливаясь и разрушая друг друга.
Одним из таких объектов была молодая Земля, или прото Земля. Она уже набрала большую часть своей массы, но была еще совсем не похожа на наш современный мир. Это был раскаленный шар из расплавленной породы.
А по соседней, но пересекающейся орбите двигалась другая планета. Ученые дали ей имя Тейя, в честь титаниды из греческой мифологии, матери богини Луны Селены. По размерам она была примерно с современный Марс. И ее путь неумолимо вел к столкновению с нашей планетой.
Это столкновение не было лобовым ударом. Это был скользящий, касательный удар под углом. Тейя врезалась в молодую Землю со скоростью в десятки тысяч километров в час. Энергия, выделившаяся в момент этого удара, была невообразимой. Она в триллионы раз превосходила энергию всего ядерного арсенала Земли.
В одно мгновение Тейя и значительная часть мантии прото Земли были полностью уничтожены. Они не просто расплавились, они испарились, превратившись в гигантское облако раскаленного газа и обломков породы. Более плотное и тяжелое железное ядро Тейи по инерции погрузилось вглубь Земли и слилось с ее собственным ядром. А гигантский шлейф из легких, силикатных пород мантии обоих тел был выброшен на околоземную орбиту.
Это облако обломков не рассеялось. В течение очень короткого времени по космическим меркам, возможно, всего за несколько сотен или тысяч лет, гравитация начала свою работу. Мелкие частицы стали слипаться в более крупные куски. Эти куски сталкивались и объединялись, формируя единое тело. Из этого раскаленного кольца мусора, вращавшегося вокруг изувеченной Земли, родилась Луна.
Почему ученые верят в эту теорию
Эта картина столкновения выглядит захватывающе, но в науке недостаточно красивой истории. Нужны веские доказательства. И теория гигантского столкновения предоставляет их в полном объеме.
Вспомним об изотопной подписи. Теория объясняет ее идеально. Поскольку Луна сформировалась в основном из вещества мантии Земли и мантии Тейи, которые в момент удара полностью перемешались, вполне естественно, что их изотопный состав оказался одинаковым. Земля и Луна действительно сделаны из одного теста. Небольшие различия, которые все же обнаруживают при сверхточном анализе, ученые объясняют тем, что Тейя могла сформироваться в другой части Солнечной системы и иметь немного другой состав, но ее вещество было основательно перемешано с земным.
Теперь о проблеме маленького железного ядра Луны. Эта теория решает и ее. Во время столкновения тяжелое железное ядро Тейи утонуло и присоединилось к ядру Земли. А на орбиту были выброшены в основном легкие породы из мантий. Поэтому Луна, собравшаяся из этих обломков, оказалась обеднена железом.
А как насчет океана магмы? Энергия гигантского столкновения была настолько велика, что все выброшенное на орбиту вещество было полностью расплавлено. Луна изначально формировалась как гигантская капля раскаленной лавы. Это полностью соответствует данным, полученным при анализе лунных пород, и объясняет происхождение ее анортозитовой коры.
Но самым мощным подтверждением стали компьютерные модели. С развитием суперкомпьютеров ученые получили возможность смоделировать это столкновение. Они вводят в программу начальные условия: массу прото Земли, массу и скорость Тейи, угол удара. А затем на основе фундаментальных законов физики, таких как закон всемирного тяготения и законы гидродинамики, компьютер рассчитывает, что произойдет дальше. И раз за разом, варьируя параметры, симуляции показывают одну и ту же картину. Скользящий удар планеты размером с Марс действительно приводит к выбросу нужного количества материала на орбиту. И из этого материала формируется спутник, по своей массе, составу и параметрам орбиты поразительно похожий на Луну.
Другие теории и почему они не подходят
Чтобы быть до конца честными, мы должны рассмотреть и другие теории, которые когда то были популярны. Хотя сегодня они считаются маловероятными, их изучение помогает понять, почему именно теория гигантского столкновения стала основной.
Первая это теория захвата. Согласно ей, Луна была самостоятельной планетой, сформировавшейся где то в другой части Солнечной системы. Пролетая мимо Земли, она была захвачена ее гравитационным полем. Эта теория хорошо объясняет разницу в составе, например, почему у Луны мало железа. Но у нее есть фатальный недостаток. Как мы уже говорили, осуществить такой гравитационный маневр невероятно сложно. Тело должно подойти к Земле под строго определенным углом и с определенной скоростью. Малейшее отклонение и оно либо улетит прочь, либо врежется. К тому же эта теория никак не объясняет главное: почему у Земли и Луны одинаковая изотопная подпись.
Вторая это теория совместного образования. Она предполагает, что Земля и Луна сформировались вместе, как двойная система, из одного и того же газопылевого облака. Эта гипотеза хорошо объясняет почти круговую орбиту Луны и ее расположение в плоскости экватора Земли. Но она полностью проваливается при попытке объяснить дефицит железа на Луне. Если они росли вместе из одного материала, они должны быть похожи по составу, а они не похожи.
Третья, самая старая и экзотическая теория, это теория центробежного отрыва. Ее предложил еще в 19 веке Джордж Дарвин, сын знаменитого Чарльза Дарвина. Он предположил, что молодая Земля вращалась вокруг своей оси так быстро, что от нее оторвался гигантский кусок вещества, который и стал Луной. А на месте отрыва образовалась впадина Тихого океана. Это очень красивая идея, но она не выдерживает проверки физикой. Расчеты показывают, что для такого отрыва Земля должна была делать один оборот примерно за два с половиной часа. Это нереалистично быстро. Кроме того, вещество, выброшенное таким образом, скорее всего, вернулось бы обратно на Землю, а не сформировало бы стабильный спутник.
Таким образом, перебирая все варианты, мы возвращаемся к одному. Только теория гигантского столкновения способна объяснить все известные нам факты.
Как столкновение изменило Землю
Эта космическая катастрофа не просто подарила нам Луну. Она коренным образом изменила саму Землю, определив ее дальнейшую судьбу.
Первое последствие это скорость вращения нашей планеты. Компьютерные модели показывают, что удар Тейи, пришедшийся по касательной, раскрутил Землю до невероятной скорости. Сразу после столкновения сутки на Земле могли длиться всего пять или шесть часов. Планета вращалась так быстро, что на ней бушевали ураганные ветры. Но затем новорожденная Луна, которая была тогда гораздо ближе к Земле, начала оказывать на нее мощное приливное воздействие. Гравитация Луны создавала огромные приливные горбы не только в гипотетических океанах, но и в твердой коре планеты. Это трение постепенно, на протяжении миллиардов лет, замедляло вращение Земли, как тормозная система. Именно благодаря Луне наши сутки растянулись до комфортных двадцати четырех часов. И этот процесс продолжается. Луна по прежнему замедляет вращение Земли, а сама при этом удаляется от нас примерно на четыре сантиметра в год.
Второе последствие это наклон оси вращения. Именно этот удар, словно удар бильярдного кия по шару, наклонил ось вращения Земли. Сегодня этот наклон составляет примерно 23 с половиной градуса. И именно этому наклону мы обязаны сменой времен года. Когда Северное полушарие наклонено к Солнцу, у нас лето. Когда оно отклонено, у нас зима. Без этого удара ось Земли могла бы быть перпендикулярна плоскости ее орбиты. В этом случае на экваторе царила бы вечная жара, а у полюсов вечный холод, без весны, лета, осени или зимы.
Наконец, само столкновение могло сыграть решающую роль в геологической и химической эволюции Земли. Удар перемешал вещество обеих планет, как гигантский миксер. Он мог вынести на поверхность элементы, которые до этого были скрыты в глубоких недрах. Он мог способствовать формированию нашей уникальной атмосферы и гидросферы, выбросив на орбиту огромное количество летучих веществ. По сути, та планета, на которой мы живем сегодня, была рождена в огне этого столкновения.
Роль Луны для жизни
Но Луна не просто изменила Землю в момент своего рождения. Она продолжала и продолжает играть ключевую роль в поддержании на нашей планете условий, благоприятных для жизни.
Ее самая важная функция это стабилизация климата. Мы говорили о том, что удар Тейи подарил нам наклон оси и смену времен года. Но Луна делает нечто большее. Своей мощной гравитацией она удерживает этот наклон стабильным на протяжении миллиардов лет. Она работает как гигантский гироскоп или якорь. Без Луны ось вращения Земли испытывала бы хаотические колебания, или прецессию. Наклон мог бы меняться от нуля до 85 градусов в течение миллионов лет. Представьте себе последствия. Полюса могли бы оказаться на месте экватора, получая максимальное количество солнечного тепла. А экватор, наоборот, мог бы замерзнуть. Такие резкие и катастрофические изменения климата сделали бы эволюцию сложных форм жизни, таких как мы с вами, практически невозможной. Достаточно посмотреть на Марс, у которого нет большого спутника. Его ось вращения колеблется в гораздо больших пределах, что, по мнению ученых, является одной из причин его сурового и нестабильного климата в прошлом.
Вторая важная роль это приливы и отливы. Дважды в сутки гравитация Луны поднимает и опускает уровень мирового океана. Сегодня мы воспринимаем это как данность. Но в далеком прошлом, когда Луна была намного ближе, а Земля вращалась быстрее, приливы были гораздо мощнее, возможно, в сотни раз. Гигантские волны прокатывались по мелководью. Эта постоянно меняющаяся приливная зона, где вода смешивалась с минералами суши под воздействием солнечного света, могла стать идеальным инкубатором для зарождения жизни. Многие теории происхождения жизни связывают появление первых сложных органических молекул именно с такими приливными прудами.