Планетологи промоделировали образование лунного ударного бассейна Южный полюс ― Эйткен и получили результат, согласующийся с гипотезой падения крупного тела под острым углом в направлении с севера на юг. Характеристикам бассейна наилучшим образом удовлетворяют диаметр ударного тела около 260 километров, угол падения 30 градусов и скорость 13 километров в секунду. Кроме того, авторы исследования, отчет о котором опубликован в Science Advances, пришли к выводу, что упавшее на Луну тело было каменистым и, вероятнее всего, обладало железным ядром.
Наиболее обширный и старейший подтвержденный ударный бассейн Луны, Южный полюс ― Эйткен (возраст его, возможно, превышает 4,3 миллиарда лет), расположен в южном полушарии. Он представляет собой эллиптическую структуру размерами около 2400 × 2050 километров, вытянутую в направлении, близком к меридиональному. Обнаруженное с помощью данных миссии GRAIL сужение этого эллипса к югу, присутствие в том же направлении (и к западу) пород, богатых железом и торием и интерпретируемых как мантийные выбросы, позволили ученым предположить, что столкнувшееся с Луной тело двигалось с севера на юг. О том же говорит и более резкое изменение толщины лунной коры на севере бассейна. Однако оценки размеров этого тела и угла его падения колебались в широких пределах (от 200 до 400 километров и от 30 до 45 градусов) из-за низкого ― более 10 километров ― пространственного разрешения моделей столкновения.
Провести моделирование с улучшенным до пяти километров разрешением смогли планетолог Сигеру Вакита (Shigeru Wakita) из Университета Пердью и его коллеги из Великобритании и США. Луна в предложенной ими модели представляет собой тело с толщиной коры 50 километров, мантии 1740 километров и с температурным градиентом 50 кельвин на километр глубины, отражающим такое состояние, при котором кристаллизация первичного магматического океана еще не завершена. Исследователи рассмотрели два варианта строения тела, столкнувшегося с Луной: первый с однородно силикатным составом, второй ― дифференцированный ― состоял из силикатной мантии и железного ядра. Вариант ледяного тела, в том числе с каменистым ядром, не рассматривался, так как из-за меньшей массы результат его падения не соответствовал бы наблюдаемой картине.
Моделирование показало, что для столкновения с формированием ударной структуры, наиболее близкой по характеристикам к бассейну Южный полюс ― Эйткен, оптимальна скорость падения около 13 километров в секунду под углом 30 градусов. Оказалось, что дифференцированное тело лучше удовлетворяет требованиям к конфигурации и строению ударного бассейна. Диаметр этого тела должен был составлять 260 километров, а его ядра ― вдвое меньше.
Столкновение произошло примерно в 850 километрах к северу от центра бассейна. Ударник разрушился, но его сильно деформированная верхняя часть продолжила двигаться почти по первоначальной траектории. При этом остатки плотного ядра, масса которого достигала 29,2 процента общей массы столкнувшегося с Луной тела, буквально пропахали поверхность, благодаря чему и образовалась заостренная квазиэллиптическая форма ударного бассейна. В модели без ядра такая форма не получается. Произошел выброс материала из кратера, а затем в центре него возникло мощное асимметричное поднятие. После его обрушения материал смещался к центру кратера до тех пор, пока бассейн не достиг своего постимпактного состояния. На реализацию этого сценария затрачивается приблизительно три часа.
Модель ударного тела с ядром дает и несколько лучшее приближение к наблюдательным данным, которые говорят о том, что в северной части бассейна толщина лунной коры убывает к центру быстрее, чем в южной. Кроме того, выброс мантийного вещества в этой модели распределился на большей площади. Он приобрел характерную для косых ударов форму «крыльев бабочки» ― по ходу движения ударника, а также влево и вправо от траектории удара. Чем ближе к поверхности он располагался в мантии, тем дальше оказался выброшен. Однако предполагаемые мантийные выбросы не обнаружены к востоку от бассейна ― возможно, из-за различий в составе мантии, обусловленных прерывистым характером позднего магматического океана. Если планируемая на 2028 год высадка людей на Луну в рамках программы «Артемида» состоится, как намечено, в районе южного полюса, ее участники смогут доставить на Землю образцы лунной мантии, которые прояснят историю бассейна Южный полюс ― Эйткен.
Ранее мы рассказывали о том, что при образовании кратера Шрёдингер вблизи южного полюса Луны в считанные минуты появились долины протяженностью почти 300 километров. А еще ― о том, что под разными сторонами Луны глубокая мантия различается по температуре.