Происхождение Луны – DW – 31.07.2014
Фото: picture-alliance/dpa
Владимир Фрадкин31 июля 2014 г.
Как возникла Луна, точно неизвестно. Но результаты нового анализа лунного грунта говорят в пользу гипотезы о столкновении протопланеты Земля с протопланетой Тейя.
https://p.dw.com/p/1CN98
Реклама
Когда в 1969 году человек впервые высадился на поверхность Луны, одной из важнейших задач этой миссии была доставка на Землю образцов лунного грунта. Исследователи очень надеялись, что его анализ позволит ответить на вопрос о том, как образовался естественный спутник нашей планеты. Но однозначного ответа ученым тогда получить не удалось.
Недавно доступ к образцам лунного грунта — этим бесценным сокровищам НАСА — получила группа немецких специалистов. Результаты выполненного ими нового высокоточного анализа опубликованы теперь в журнале Science. И они, похоже, впервые могут быть интерпретированы как более или менее весомый аргумент в пользу одной из основных теорий происхождения Луны.
Гипотезы
Вообще-то таких теорий в разное время было предложено немало. Наиболее вероятными считались три взаимоисключающих гипотезы. Одна — гипотеза захвата, согласно которой Луна сформировалась независимо от Земли и была позднее захвачена ее гравитационным полем. Другая — гипотеза совместного образования, согласно которой Земля и Луна сформировались из единого газопылевого облака. И третья — гипотеза центробежного отделения, согласно которой Луна оторвалась от Земли под действием центробежных сил.
Однако анализ доставленных американскими астронавтами образцов лунного грунта поставил все эти гипотезы под сомнение. Ученым пришлось выдвинуть новую — гипотезу столкновения, согласно которой Луна сформировалась в результате столкновения протопланеты Земля с другим крупным космическим телом — протопланетой Тейя. Вот эту-то гипотезу, похоже, и подкрепляют полученные теперь новые данные.
Компьютерное моделирование — это одно,..
Большинство исследователей склоняются к предположению, что столкновение это произошло на заре существования Солнечной системы, то есть около 4,5 миллиардов лет назад, что Тейя была размером с Марс и что удар пришелся почти по касательной — это и спасло Землю от полного разрушения.
«Нужно представлять себе дело так, что эти тела перемещались в пространстве со скоростями 30-40 тысяч километров в час, — говорит Даниель Херварц (Daniel Herwartz), научный сотрудник Института геологии и минералогии Кельнского университета. — При столкновении столь крупных тел в космос было выброшено огромное количество обломков, которые образовали обращающееся вокруг Земли облако. Из него-то, судя по всему, и сформировалась Луна».
Этот сценарий считается сегодня наиболее вероятным, хотя и не доказанным и не свободным от противоречий. «Если выполнить компьютерное моделирование такого столкновения, то окажется, что обломки должны быть преимущественно от Тейи, — поясняет Даниель Херварц. — При столкновении Тейя разрушилась, одни фрагменты остались на Земле, другие оказались выброшенными в космос. Так что сегодня и Земля, и Луна состоят из смеси пород, некогда составлявших протопланету Земля и протопланету Тейя. Но если на Земле доля Тейи невелика, всего около 10 процентов, то на Луне она должна быть гораздо выше».
…а реальность — совсем другое
Таковы результаты компьютерных расчетов. А реальность выглядит совершенно иначе. До сих пор все попытки обнаружить различия в соотношении стабильных изотопов титана, вольфрама, кремния или кислорода между лунным грунтом, добытым космическими миссиями «Аполлон-11, 12 и 16» в период с 1969-го по 1972-й годы, и земной корой успехом не увенчались. Это соотношение при всех предыдущих анализах оказывалось идентичным — хотя, скажем, в метеоритах из разных районов Солнечной системы оно было несколько иным.
Так, может быть, просто Тейя по изотопному составу не отличалась от Земли? Новый анализ лунного грунта показал, что это все же не так. Андреас Пак (Andreas Pack), профессор изотопной геологии Геттингенского университета, поясняет: «Изотопы кислорода имеются и на Земле, и на Луне. И вот теперь нам впервые удалось обнаружить различия в соотношении этих изотопов. Различия крайне малы, но они есть».
Различия есть, но они крайне малы
Можно сказать и иначе: различия есть, но они крайне малы.
Именно поэтому они до сих пор ускользали от внимания исследователей. «Если я возьму образец земной породы и сравню содержание в ней изотопов О-16 и О-17, то получу соотношение примерно 99,75 к 0,04, — поясняет ученый. — На Луне оно оказалось чуть-чуть иным». Конкретно этот «чуть-чуть» означает, что в лунном грунте на миллион атомов кислорода приходится на 12 атомов изотопа О-17 больше, чем на Земле.
Эти цифры позволяют также заново оценить, в какой пропорции образовали Луну бывшие земные породы и бывшие породы Тейи. До сих пор у ученых не было единого мнения на сей счет: доля Тейи в этих оценках варьировались от 8 до 90 процентов. Даниель Херварц говорит: «Наши новые данные дают основание полагать, что тут имеет место соотношение примерно 50 на 50».
Другие гипотезы по-прежнему живы
Впрочем, все это хоть и укрепляет позиции сторонников гипотезы гигантского столкновения, но в полной мере служить ее доказательством все же не может. Так что и гипотеза совместного образования, и гипотеза центробежного отделения по-прежнему имеют право на существование.
Написать в редакцию
Реклама
Пропустить раздел Еще по темеЕще по теме
Пропустить раздел Топ-тема1 стр. из 3
Пропустить раздел Другие публикации DWНа главную страницу
Возникновение Луны потребовало несколько мегаимпактов
Геофизики из Института Вейцмана и Израильского технологического института Технион предложили новый механизм возникновения Луны. В отличие от общепринятой в мировой науке модели одиночного гигантского столкновения, ученые предполагают, что таких столкновений было несколько — они породили около 20 малых лун, которые затем «слиплись» в нынешнюю Луну.
По словам авторов, эта модель объясняет совпадение изотопного состава лунных пород с земными — основной контраргумент против гигантского столкновения. Исследование опубликовано в журнале Nature Geoscience, кратко о нем сообщает издание Science News.
Основная гипотеза происхождения Луны — гигантское столкновение («мегаимпакт»). Согласно этой гипотезе, прото-Земля столкнулась с небесным телом с размерами, сопоставимыми с Марсом (его называют Тейей). Это привело к выбросу значительного количества материала на околоземную орбиту и увеличило скорость вращения будущей Земли до одного оборота в пять часов. Со временем в обломочном диске произошла аккреция — слипание материала. Это привело к формированию Луны, которая за счет приливного воздействия замедлила Землю до нынешней скорости вращения.
Главный контраргумент к этой гипотезе — неожиданное совпадение изотопных составов кислорода, титана и вольфрама в лунной породе с земным. Под изотопным составом водорода, например, понимается соотношение изотопов водорода-1, водорода-2 (дейтерия) и водорода-3 (трития) в образцах.
Эти соотношения уникальны для небесных тел Солнечной системы: к примеру, для Марса и Земли они отличаются. Совпадение изотопных составов показывает, что в лунных породах очень мала доля пород Тейи. Важно отметить, что хотя изотопный состав для отдельных элементов на Земле и на Луне совпадают, химический состав небесных тел отличается. К примеру, на Луне меньше железа.
Авторы новой работы предложили способ объяснить преобладание земных пород на Луне. Для этого геофизики предположили, что столкновений было несколько, с интервалом в миллионы лет. В компьютерном моделировании ученые допускали столкновения Земли с объектами в десять-сто раз менее массивными. По словам авторов, моделирование гигантского столкновения дает наблюдаемые изотопные соотношения лишь в 1-2 случаях из ста, а модель многократных столкновений дает вероятность совпадения изотопных составов в десятки процентов.
После каждого столкновения вокруг Земли формировался обломочный диск, который за несколько столетий сегрегировал — в нем возникали массивные луны.
После нескольких столкновений спутников становилось больше — они сталкивались между собой. Часть из них терялась, часть оставалась на своих орбитах. На создание современной Луны, согласно расчетам авторов, требовалось около 20 таких миниатюрных мегаимпактов.
Ранее группа американских геофизиков предложила другое решение проблемы совпадения изотопного состава. Ученые допустили, что сила столкновения была гораздо выше, чем считалось ранее и сделали новые оценки изотопного состава и орбиты Луны. Они оказались несколько ближе к реальным данным, нежели традиционная модель.
Помимо теории мегаимпакта существуют другие гипотезы происхождения Луны. К примеру, модель Галимова-Кривцова. Согласно ей, Земля и Луна возникли одновременно из быстровращающегося газо-пылевого облака. Эта модель лучше объясняет сходство изотопных составов небесных тел, но не объясняет высокий угловой момент системы Земля-Луна.
Владимир Королёв
Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
Происхождение Луны
Дизайн страницы Грегга Херреса и Уильяма К. Хартманна
PSI Роль:Два PSI Старшие науки. и доктор Дональд Р. Дэвис первыми предложили ведущую современную гипотезу происхождения Луны в статье, опубликованной в 1975 году в журнале Icarus. | Авторское право на картину Уильяма К. Хартманна |
| Гигантский удар , как показано на картине Уильяма К. Хартманна на обложке журнала «Естественная история» в 1981 году. в двух словах: В то время, когда Земля формировалась 4,5 миллиарда лет назад, росли и другие более мелкие планетарные тела. Один из них ударился о землю в конце процесса роста Земли, выбросив каменные обломки. |
Часть этого мусора вышла на орбиту вокруг Земли и скопилась на Луне.| Через полчаса после гигантского удара , на основе компьютерного моделирования А. Кэмерона, У. Бенца, Дж. Мелоша и др. Copyright William K. Hartmann |
Почему это хорошая гипотеза:
- Земля имеет большое железное ядро, а Луна — нет. Это связано с тем, что к тому времени, когда произошло гигантское столкновение, земное железо уже просочилось в ядро. Следовательно, обломки, выброшенные как с Земли, так и с ударника, произошли из их обедненной железом каменистой мантии. Согласно компьютерным моделям, железное ядро ударника расплавилось при ударе и слилось с железным ядром Земли.
- Средняя плотность Земли составляет 5,5 г/кубический сантиметр, а плотность Луны всего 3,3 г/куб.см. Причина та же, что на Луне не хватает железа.
- Луна имеет точно такой же изотопный состав кислорода, что и Земля, тогда как марсианские камни и метеориты из других частей Солнечной системы имеют другой изотопный состав кислорода.
Это показывает, что Луна образовалась из материала, образовавшегося в окрестностях Земли. - Если теория о происхождении Луны требует эволюционного процесса, ей трудно объяснить, почему у других планет нет подобных лун. (Только у Плутона есть спутник, размер которого составляет заметную долю его собственного размера.) Преимущество нашей гипотезы гигантского столкновения заключалось в том, что она предполагала стохастическое катастрофическое событие, которое могло произойти только с одной или двумя планетами из девяти.
Это показывает, что Луна образовалась из материала, образовавшегося в окрестностях Земли.Какие идеи были у вас раньше?
- Одна из ранних теорий заключалась в том, что Луна является родственным миром, который сформировался на орбите вокруг Земли, когда формировалась Земля. Эта теория потерпела неудачу, потому что не могла объяснить, почему на Луне не хватает железа.
- Вторая ранняя идея заключалась в том, что Луна сформировалась где-то еще в Солнечной системе, где было мало железа, а затем была захвачена на орбиту вокруг Земли. Это не удалось, когда лунные породы показали тот же изотопный состав, что и Земля.
- Третья ранняя идея заключалась в том, что ранняя Земля вращалась так быстро, что оторвалась от Луны. Эта идея должна была создать луну, подобную мантии Земли, но она потерпела неудачу, когда анализ полного углового момента и энергии показал, что нынешняя система Земля-Луна не может сформироваться таким образом.
Это не удалось, когда лунные породы показали тот же изотопный состав, что и Земля.Откуда взялась теория?
Хартманн и Дэвис были знакомы с работой, проделанной в Советском Союзе в 1960-х годах, по агрегации планет из бесчисленных астероидоподобных тел, называемых планетезималями. Большая часть этой работы была начата русским астрофизиком по имени В. С. Сафронов.
Подхватив общие идеи Сафронова, Хартманн и Дэвис провели расчеты скорости роста 2-го по величине, 3-го по величине и т. д. тел в общей окрестности Земли по мере роста самой Земли. Точно так же, как сегодня в поясе астероидов есть самый большой астероид (Церера) диаметром 1000 км и несколько меньших тел диаметром от 300 до 500 км, в области земной орбиты должно было быть несколько тел размером до половины размера Земли.
растущая Земля. Наша идея заключалась в том, что в случае с Землей (но не с другими планетами) столкновение произошло достаточно поздно и в таком направлении относительно вращения Земли, что было выброшено достаточное количество промежуточного материала, чтобы образовалась луна.
Как развивалась теория?
После того, как мы впервые представили эту теорию в 1974 году на конференции по спутникам, гарвардский исследователь А. Г. У. Кэмерон поднялся, чтобы сказать, что он и Уильям Уорд также работали над одной и той же идеей, но пришли к ней с другой целью — изучение углового импульс в системе — и что они пришли к выводу, что сталкивающееся тело должно быть примерно размером с Марс (треть или половина размера Земли). Наша статья была опубликована в 1975 г. (Hartmann and Davis, 9).0103 Icarus , 24 , 504-505) Кэмерон и Уорд опубликовали реферат по этой идее на конференции Lunar Science в 1976 году, через два года после статьи PSI.
| Через пять часов после удара , на основе компьютерного моделирования А.  Кэмерона, У. Бенца, Дж. Мелоша и др. Copyright William K. Hartmann |
В 1983 году Томпсон и Стивенсон проделали некоторую работу по изучению образования лунных звезд в диске обломков, образовавшихся вокруг Земли после удара. Однако в целом теория томилась до 1984 года, когда в Коне, Гавайи, была организована международная встреча, посвященная происхождению Луны. На этой встрече гипотеза гигантского удара стала ведущей гипотезой и с тех пор остается в этой роли. Доктор Майкл Дрейк, директор факультета планетарных наук Аризонского университета, недавно назвал эту встречу, возможно, самой успешной в истории планетарной науки.
Сборник статей с этой встречи был опубликован Лунным и планетарным институтом (Хьюстон) в 19Книга 86 «Происхождение Луны» под редакцией ученого PSI Уильяма Хартманна вместе с Джеффри Тейлором и Роджером Филлипсом. Эта книга остается главным справочником по этому вопросу. Тем временем такие исследователи, как Вилли Бенц, Джей Мелош, А.
Г. У. Кэмерон и другие, попытались смоделировать гигантское столкновение с помощью компьютерных моделей, чтобы определить, сколько материала попадет на орбиту. Некоторые из этих результатов были использованы Хартманном для создания рисунков на этой веб-странице, в попытке показать, как выглядело бы столкновение с человеком-наблюдателем (если бы люди существовали поблизости — они появились только 4,5 миллиарда лет спустя). !)
В 1990-х годах доктор Робин Кануп защитил докторскую диссертацию. диссертацию о происхождении Луны и гипотезе гигантского удара, которая привела к новому моделированию скопления обломков в спутники и, в конечном итоге, в саму Луну. Доктор Кануп продолжает моделирование процесса лунной аккреции.
Текущий статус: В 1997 году работа доктора Канупа получила широкую огласку в средствах массовой информации, некоторые из которых ошибочно полагали, что гигантское столкновение было совершенно новой идеей. | Луна, формирующаяся из колец Copyright William K. Hartmann |
Ранняя работа Канупа, представленная 19 июля.97, предположил, что обломки от удара могли образовать не луну, а только рой лунных звезд. Ее более поздняя работа (осень 1997 г.) привела к большему «успеху» в объединении обломков в единую луну.| Исследования лунных пород изначально имели расплавленную поверхность. Когда этот так называемый магматический океан остыл, интенсивный вулканизм продолжался около 9 лет.00 миллионов лет. Здесь показано раннее извержение вулкана. Copyright William K. Hartmann | Таким образом, гипотеза гигантского удара продолжает оставаться ведущей гипотезой о том, как образовалась Луна. Это правильно? Можно ли опровергнуть это более тщательным исследованием? Только время покажет, но до сих пор он выдерживал до 25 лет тщательного изучения. В PSI мы работали с несколькими ведущими исследователями, чтобы предложить новую работу или механику аккреции с использованием варианта модели построения планеты PSI. Но эта работа не финансировалась. |
| Луна сегодня. Эта вечерняя сцена на Луне олицетворяет Луну, какой она была на протяжении примерно 3 миллиардов лет. Вулканизм закончился. Столкновения с метеоритами случаются редко. Тихий пейзаж ждет возвращения людей-исследователей. Copyright William K. Hartmann |
Для получения дополнительной информации:
Hartmann, W.K. and D.R. Davis 1975 Icarus , 24 3 , 00 5054 , 0 50012 Hartmann, WK 1997. Краткая история Луны. Планетарный отчет . 17 , 4-11.
Хартманн, В.К. и Рон Миллер, 1991. История Земли, (Нью-Йорк: Workman Publishing Co.)
Хартманн, В.
К., Р.Дж. Филлипс и Г.Дж. Тейлор, ред. 1986. Происхождение Луны . (Хьюстон: Институт Луны и Планет.)
Вернуться на главную страницу PSI
Как образовалась Луна?
Когда вы покупаете по ссылкам на нашем сайте, мы можем получать партнерскую комиссию. Вот как это работает.
(Изображение предоставлено: Getty Images)Луна сформировалась через сто миллионов лет после создания Солнечной системы. Это заставило ученых задуматься о том, что послужило причиной рождения спутника нашей планеты, если это не произошло в результате событий, связанных с формированием планет. Вот лишь три наиболее правдоподобных объяснения.
Гипотеза гигантского столкновения
Согласно преобладающей теории, поддерживаемой научным сообществом, гипотеза гигантского столкновения предполагает, что Луна образовалась, когда объект врезался в раннюю Землю. Как и другие планеты, Земля образовалась из оставшегося облака пыли и газа, вращающегося вокруг молодого солнца.
Ранняя солнечная система была жестоким местом, и было создано несколько тел, которые так и не достигли полного планетарного статуса. Один из них мог врезаться в Землю вскоре после создания молодой планеты.
Известное как Тейя, тело размером с Марс столкнулось с Землей, выбросив в космос испарившиеся куски коры молодой планеты. Гравитация связала выброшенные частицы вместе, создав луну, которая является самой большой в Солнечной системе по отношению к планете-хозяину. Такое образование могло бы объяснить, почему Луна состоит преимущественно из более легких элементов, что делает ее менее плотной, чем Земля — материал, из которого она образовалась, пришел из коры, оставив нетронутым каменистое ядро планеты. По мере того как материал собирался вместе вокруг того, что осталось от ядра Тейи, его центр должен был располагаться вблизи плоскости эклиптики Земли, пути, по которому солнце движется по небу, где сегодня вращается Луна.
Иллюстрация потенциального удара, создавшего Луну.
(Изображение предоставлено Getty Images)По данным НАСА, «когда столкнулись молодая Земля и это тело-изгой, задействованная энергия была в 100 миллионов раз больше, чем гораздо более позднее событие, которое, как считается, уничтожило динозавров».
Хотя это самая популярная теория, она не лишена недостатков. Большинство моделей предполагают, что более 60% Луны должно состоять из материала Тейи. Но образцы горных пород из миссий «Аполлон» говорят об обратном.
«С точки зрения состава Земля и Луна почти близнецы, их составы отличаются не более чем на несколько миллионных долей», — сказала Space.com Алессандра Мастробуоно-Баттисти, астрофизик из Израильского технологического института в Хайфе. «Это противоречие бросило тень на модель гигантского удара».
В 2020 году исследование, опубликованное в Nature Geoscience , предложило объяснение того, почему Луна и Земля имеют такой похожий состав. Изучив изотопы кислорода в лунных породах, доставленных на Землю астронавтами Аполлона, исследователи обнаружили небольшую разницу по сравнению с земными породами.
Образцы, собранные из глубокой лунной мантии (слоя под корой), были намного тяжелее, чем те, что были найдены на Земле, и «имеют изотопный состав, который наиболее характерен для протолунного импактора Тейя», — пишут авторы исследования.
Еще в 2017 году израильские исследователи предложили альтернативную теорию удара , согласно которой на Землю выпал дождь из мелких обломков, что привело к созданию Луны.
«Сценарий множественных столкновений — более естественный способ объяснить формирование Луны», — сказал Space.com Ралука Руфу, исследователь из Института науки Вейцмана в Израиле и ведущий автор исследования. «На ранних стадиях Солнечной системы удары были очень многочисленны, поэтому более естественно, что Луну образовали несколько общих ударников, а не один особый.
Теория совместного образования
Луны также могут формироваться одновременно с их родительской планетой. Согласно такому объяснению, гравитация заставляла материал в ранней Солнечной системе сближаться в то же время, когда гравитация связывала частицы вместе, чтобы сформировать Землю.
Такая луна имела бы состав, очень похожий на планету, и могла бы объяснить нынешнее положение луны. Однако, хотя Земля и Луна во многом состоят из одного и того же материала, Луна гораздо менее плотная, чем наша планета, что, вероятно, было бы не так, если бы обе они начинались с одних и тех же тяжелых элементов в своем ядре.
Ссылки по теме
В 2012 году исследователь Робин Кануп из Юго-западного научно-исследовательского института в Техасе предположил, что Земля и Луна образовались одновременно, когда два массивных объекта в пять раз больше Марса столкнулись друг с другом.
«После столкновения два тела одинакового размера снова столкнулись, сформировав раннюю Землю, окруженную диском из материала, который объединился, чтобы сформировать Луну», — сказали в НАСА. «Повторное столкновение и последующее слияние оставили два тела с похожим химическим составом, наблюдаемым сегодня».0013
Теория захвата
Возможно, гравитация Земли зацепила пролетающее тело, как это произошло с другими спутниками Солнечной системы, такими как марсианские спутники Фобос и Деймос .
Согласно теории захвата, каменистое тело, образовавшееся в другом месте Солнечной системы, могло быть выведено на орбиту вокруг Земли. Теория захвата объяснила бы различия в составе Земли и ее Луны. Однако такие орбитальные аппараты часто имеют странную форму, а не сферические тела, такие как Луна. Их пути, как правило, не совпадают с эклиптикой их родительской планеты, в отличие от Луны.
Хотя теория совместного образования и теория захвата объясняют некоторые аспекты существования Луны, многие вопросы остаются без ответа. В настоящее время гипотеза гигантского удара, кажется, охватывает многие из этих вопросов, что делает ее лучшей моделью, соответствующей научным доказательствам того, как была создана Луна.
Дополнительные ресурсы
Чтобы узнать больше о гипотезе гигантского столкновения, прочитайте книгу Даны Маккензи «Большой сплат, или как возникла наша Луна: жестокая естественная история». «Наша Солнечная система: исследование планет, лун, астероидов и других тайн космоса (откроется в новой вкладке)», Лиза Рейчли.
Библиография
Эрик Дж. Кано и др., «Различные изотопные составы кислорода Земли и Луны», Nature Geoscience, том 13, март 2020 г., https://doi.org/10.1038/s41561-020-0550-0 (открывается в новой вкладке)
Ралука Руфу, «Происхождение Луны при множественных ударах», Nature Geoscience, том 10, январь 2017 г., https://doi.org/10.1038/ngeo2866 (открывается в новой вкладке)
Эдвард Бельбруно и др., «Откуда взялась Луна? (открывается в новой вкладке)», The Astronomical Journal, Volume 129, март 2005 г.
Томас С. Круиджер и Грегори Арчер, «Нет 182W свидетельств раннего образования Луны», Nature Geoscience, том 14, октябрь 2021 г., https://doi.org/ (открывается в новой вкладке) 10.1038/s41561 -021-00820-2 (откроется в новой вкладке)
Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: community@space.