Теорию происхождения Луны проверили ядерным взрывом
Летучие элементы и вода почти отсутствуют на поверхности Луны, так как они испарились в процессе гигантского столкновения. К такому выводу пришли американские и французские ученые, проанализировав породы из района, где проходило испытание первой в мире ядерной бомбы. Работа исследователей опубликована в журнале Science Advances.
Одна из теорий происхождения Луны предполагает, что она появилась в результате катастрофического столкновения молодой Земли и Тейи. Протопланета размером с Марс врезалась в Землю под углом, и большая часть вещества ударившегося объекта, а также часть вещества земной мантии оказались выброшены на околоземную орбиту. Из этих «обломков» сформировалась Луна и стала вращаться вокруг нашей планеты.
Такая гипотеза хорошо объясняет, почему на Луне, в отличие от ее соседа — Земли, наблюдают крайне мало летучих веществ. По мнению исследователей, они могли просто испариться из-за крайне высоких температур и давления.
Тем не менее, проверить это предположение трудно, так как ученые в лаборатории не могут воспроизвести температуру или даже отдаленный масштаб подобного процесса. Однако на Земле происходили события, которые могут служить моделью для планетарных исследований: одно из них — это испытание ядерной бомбы «Тринити», проведенное в 1945 году в штате Нью-Мексико, США.
Во время взрыва, который был эквивалентен приблизительно 21 килотонне тротила, песок на близлежащей поверхности расплавился, превратившись в тонкий слой стекла, или тринитит. Он подвергся воздействию температур свыше 8 тысяч градусов Цельсия и давления около 80 тысяч атмосфер. По мнению ученых, эти условия близки к тем, которые возникли при формировании Луны.
Авторы работы изучили распределение одного летучего элемента, цинка, а также его изотопов в образцах тринитита. Исследователи заметили, что чем ближе к эпицентру взрыва находился тринитит, тем меньше в нем содержалось цинка и его легких изотопов. Это объясняется тем, что они испарились в процессе.
В то же время, более тяжелые изотопы цинка (66Zn) показали обратную зависимость — их концентрация возрастала по мере приближения к точке, где проходили испытания.
Так как исследования образцов лунных пород показывают, что грунт Луны также содержит мало летучих элементов и соединений, в том числе и легких изотопов цинка, авторы работы считают, что их исследование свидетельствует либо в пользу большого столкновения в древности, либо в пользу существования океана магмы, возникшего после него. В результате этих событий летучие элементы и соединения могли просто испариться.
Ученые все еще ведут активные споры о происхождении спутника Земли. Недавно исследователи выдвинули новую версию, которая предполагает, что Земля претерпела сразу несколько крупных столкновений, породивших около 20 малых лун, которые затем «слиплись» в нынешнюю Луну.
Кристина Уласович
Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
5 теорий о происхождении Луны — T&P
Несмотря на то, что Луна — ближайшее к нам небесное тело, ученые так и не могут однозначно объяснить ее происхождение.
Программа полетов «Аполлон» должна была разрешить эту загадку, но на деле лишь поставила под сомнение все три основные теории. А теперь появились и новые варианты. «Теории и практики» выбрали пять основных гипотез и взвесили «за» и «против».Сегодня основной версией происхождения Луны считается теория гигантского столкновения. Ученые считают, что наш спутник появился после того, как молодая Земля порядка 4,4 млрд. лет назад столкнулась с другой планетой. Это гипотетическое небесное тело получило неофициальное название Тейя — в честь матери лунной богини Селены в греческой мифологии.
Предполагается, что Тейя сформировалась в точке Лагранжа L4 системы Солнце-Земля и находилась на одной орбите с Землей. Две протопланеты постоянно разделяло определенное расстояние. Однако так продолжалось лишь до тех пор, пока масса Тейи не стала слишком большой. Тогда она начала по узкой синусоиде приближаться к Земле и столкнулась с ней. Удар пришелся по касательной и буквально вывернул нашу планету наизнанку.
Часть расплавленной материи выбило на орбиту, где из нее постепенно образовался спутник.
Однако главное было еще впереди. Когда на Земле появилось достаточно воды и тверди, Луна начала вызывать на ней приливы и отливы. Раз за разом наполненная химическими веществами вода накрывала пустынные прибрежные территории, а затем отступала, предоставляя Солнцу нагревать мокрую землю. Со временем в этой «лаборатории» из смеси фосфата, простейших азотистых соединений и простейших углеводов могли появиться нуклеотиды, а затем — первая самореплицирующаяся РНК.
Графические модели гигантского столкновения выглядят очень зрелищно, впрочем, этим достоинства теории мегаимпакта не исчерпываются. Гипотеза хорошо объясняет необычайно высокий момент импульса в системе Земля-Луна — иначе говоря, большое количество вращательного движения, поскольку удар, очевидно, сильно раскрутил планету. Объясним в этом случае и низкий наклон лунной орбиты. Также становится понятно, почему химический состав коры спутника похож на состав земной мантии и почему у Луны такое маленькое ядро.
Однако есть в теории и уязвимые места. В частности, она не может объяснить, почему в лунном грунте присутствуют легкие изотопы разных элементов, которые в случае с гигантским столкновением должны были испариться.
В советской и современной российской науке господствует теория о том, что Луна и Земля сформировались из общего пылевого облака. Согласно этой точке зрения, зародышу планеты не удалось притянуть к себе все частицы, находившиеся в зоне его досягаемости, и они остались на орбите. В результате вблизи новорожденной Земли появился спутник, состоявший из той же материи, что и планета.
Теория совместного формирования существует довольно давно и входит, в числе прочих, в так называемую «Большую тройку» гипотез происхождения Луны, которые считались основными до полетов «Аполлона». В отличие от двух других вариантов, она сохраняет актуальность до сих пор. Эта теория способна объяснить то, что не объясняет ни одна другая: идентичность породы лунной коры и породы земной мантии по соотношению стабильных изотопов кислорода.
Однако если бы Луна, и правда, сформировалась вместе с Землей, ее железо-никелевое ядро не было бы таким миниатюрным. Также теория не дает ответа на вопрос о высоком моменте импульса между Луной и Землей и наклоне лунной орбиты.
Гипотеза центробежного отделения стала одной из первых весомых научных попыток объяснить происхождение Луны и также вошла в «Большую тройку». Эту теорию выдвинул в 1878 году сын Чарльза Дарвина, астроном и математик Джорж Дарвин. Он предположил, что в ранние годы своего существования Земля вращалась так быстро, что под действием центробежной силы часть материи оторвалась от нее в области экватора, попала на орбиту и образовала Луну. На Земле же в месте «отрыва» появилась огромная полость, которая позже стала бассейном Тихого океана.
Сегодня факты подтверждают, что в ранние годы своего существования наша планета вращалась быстрее, чем сегодня. Однако для того, чтобы сбросить с себя такой большой кусок мантии, Земля должна была совершать один полный оборот вокруг своей оси всего за 2-3 часа, а это для нее было бы слишком.
Кроме того, данные геологических исследований указывают на то, что бассейн Тихого океана образовался порядка 70 млн. лет назад. Для появления Луны это чересчур поздно.
Теория захвата Луны Землей, еще один экс-участник «Большой тройки», говорит о том, что когда-то спутник был самостоятельной планетой Солнечной системы. В результате неких гравитационных потрясений его орбита приняла форму эллипса и пересеклась с земной. Здесь сила притяжения нашей планеты захватила Луну, и та навсегда потеряла самостоятельность.
На ранних этапах своего существования Солнечная система действительно переживала настоящие гравитационные бури. Возмущение, вызванное формированием Юпитера и его орбитальным резонансом с Сатурном, было так велико, что могло, к примеру, препятствовать формированию еще одной планеты на месте пояса астероидов. Однако даже если подобные силы могли повлиять на молодую планету Луну, вероятность того, что ее не разорвали бы на земной орбите приливные силы, не притянуло бы к Земле или не отбросило бы прочь гравитацией, очень мала.
Теория захвата хорошо объясняет высокий момент импульса, но не дает никакого ответа на вопрос, почему земной и лунный грунт так похожи по своему составу.
В 70-е годы XX века на Западе появилась теория, говорившая о том, что Луна — это своего рода конденсат. Сторонники гипотезы утверждали, что Земля сильно разогрелась из-за постоянных космических «бомбардировок», и множество различных веществ с нее испарилось в пространство. Летучие элементы сдул солнечный ветер, а вот их более тяжелые «соседи» со временем образовали спутник.
Гипотеза испарения также хорошо объясняет, почему химический состав лунной коры так похож на состав земной мантии. Однако как быть с высоким моментом импульса и наклоном орбиты? Кроме того, сегодня благодаря исследованиям мы знаем, что наша планета никогда не разогревалась так сильно, чтобы расплавиться целиком.
Наталия Киеня
Теги
#астрофизика
#Луна
#наука
28 610
Как образовалась Луна?
Исследователь планетологии музея профессор Сара Рассел объясняет происхождение ближайшего спутника Земли.
Анализ образцов, доставленных из миссий НАСА «Аполлон», позволяет предположить, что Земля и Луна являются результатом гигантского столкновения ранней протопланеты с астрономическим телом под названием Тейя.
Несколько теорий
«Раньше существовало несколько теорий о том, как была создана Луна, и одной из целей программы «Аполлон» было выяснить, как у нас появилась Луна, — говорит Сара.
До начала исследований миссии «Аполлон» существовало три теории о том, как образовалась Луна.
Теория захвата предполагает, что Луна была блуждающим телом (похожим на астероид), которое образовалось где-то в Солнечной системе и было захвачено гравитацией Земли, когда она проходила поблизости. Напротив, теория аккреции предполагала, что Луна была создана вместе с Землей при ее формировании. Наконец, согласно сценарию деления, Земля вращалась так быстро, что часть материала оторвалась и начала вращаться вокруг планеты.
Сегодня наиболее широко распространена теория гигантского удара.
Предполагается, что Луна образовалась во время столкновения Земли с другой небольшой планетой размером с Марс. Обломки от этого удара собрались на орбите вокруг Земли, чтобы сформировать Луну.
Лунный метеорит Дар аль-Гани 400
Свидетельства миссии «Аполлон»
Миссии «Аполлон» доставили с Луны более трети тонны камня и почвы.
«Когда камни Аполлона вернулись, они показали, что Земля и Луна имеют некоторые поразительные химические и изотопные сходства, предполагая, что у них есть связанная история», — говорит Сара.
‘Если бы Луна была создана в другом месте и была захвачена гравитацией Земли, мы бы ожидали, что ее состав будет сильно отличаться от земного.
‘Если бы Луна была создана в то же время или отделилась от Земли, то можно было бы ожидать, что тип и соотношение минералов на Луне будут такими же, как на Земле. Но они немного отличаются.
Минералы на Луне содержат меньше воды, чем аналогичные земные породы. Луна богата материалом, который быстро образуется при высокой температуре.
‘В семидесятых и восьмидесятых годах было много споров, которые привели к почти всеобщему признанию модели гигантского удара.’
Лунные метеориты также являются важным источником данных для изучения происхождения Луны.
«В некотором смысле метеориты могут рассказать нам о Луне больше, чем образцы «Аполлона», потому что метеориты прилетают со всей поверхности Луны, — добавляет Сара, — в то время как образцы «Аполлона» поступают только из одного места у экватора на ближней стороне Луны. Луна.’
Величайший побочный продукт Земли
До Земли и Луны существовали прото-Земля и Тейя (планета размером примерно с Марс).
Модель гигантского столкновения предполагает, что в какой-то момент очень ранней истории Земли эти два тела столкнулись.
Во время этого массивного столкновения почти вся Земля и Тейя расплавились и преобразовались в одно тело, а небольшая часть новой массы отделилась, чтобы стать Луной, какой мы ее знаем.
Ученые экспериментировали с моделированием удара, изменяя размер Theia, чтобы проверить, что происходит при разных размерах и углах удара, пытаясь получить максимально возможное совпадение.
«Сейчас люди склоняются к идее, что ранняя Земля и Тейя изначально были сделаны почти из одних и тех же материалов, поскольку находились в одном районе во время формирования Солнечной системы, — объясняет Сара.
‘Если бы два тела прибыли из одного и того же места и были сделаны из одинакового материала, это также объясняет, насколько похож их состав.’
Лунный пейзаж с изображением кратера Антониади вблизи южного полюса Луны
Лунные пейзажи
Минералогия Земли и Луны настолько близки, что можно наблюдать луноподобные ландшафты, не вылетая в космос.
«Если вы посмотрите на лунную поверхность, то увидите, что она бледно-серая с темными пятнами», — говорит Сара. — Бледно-серый — это порода, называемая анортозитом. Он образуется, когда расплавленная порода остывает, и более легкие материалы всплывают наверх, а темные области представляют собой другой тип горной породы, называемый базальтом».
Что такое темные пятна на Луне?
Аналогичный анортозит можно увидеть на острове Ром в Шотландии.
Более того, большая часть дна океана состоит из базальта — это самая распространенная поверхность на всех внутренних планетах нашей Солнечной системы.
«Однако на Луне есть что-то действительно особенное, чего мы никогда не сможем воспроизвести на Земле, так это то, что Луна геологически довольно мертва, — говорит Сара.
На Луне не было вулканов миллиарды лет, поэтому ее поверхность практически не изменилась. Вот почему так хорошо видны ударные кратеры.
Глядя на Луну, мы можем многое рассказать о том, какой была Земля четыре миллиарда лет назад.
Профессор Сара Рассел подробнее рассказывает о формировании Луны:
Уравновешивающее влияние
Наличие такой большой Луны, как наша, является уникальным явлением в нашей Солнечной системе.
«В то время как у других планет есть крошечные спутники, земная Луна размером почти с Марс, — говорит Сара.
‘Если вы посмотрите на другие планеты, похожие на нашу, вы увидите, что они довольно сильно качаются на своей орбите (движется Северный полюс), и в результате климат гораздо более непредсказуем.’
Кусок лунной породы анортозитовой брекчии в стеклянной призме
Луна помогла стабилизировать орбиту Земли и уменьшить движение полюсов. Это помогло создать относительно стабильный климат на нашей планете.
«Это предмет довольно многочисленных научных дебатов о том, насколько важна Луна для существования жизни на Земле».
Есть ли у Земли более одной луны?
Действительно может быть несколько объектов на орбите вокруг Земли. Но, насколько нам известно, это объекты, которые планета втянула на свою орбиту — скорее всего, захваченные астероиды. У этих естественных спутников не такая важная история, как у Луны, и они, вероятно, существуют только временно на орбите Земли.
Увидеть кусочек Луны в Музее
Исследуйте драгоценные камни и минералы, в том числе кусок лунного камня Аполлона, в галереях Земли Музея.
- Ваш вопрос
Спросите ученого музея
У вас есть животрепещущий вопрос о науке или природе, на который вы хотите получить ответ? Заполните форму ниже, чтобы сообщить нам.
Мы будем работать с музейными учеными, чтобы превратить некоторые из ваших вопросов в истории, опубликованные в нашем онлайн-журнале Discover, или видеоролики на нашем канале YouTube.
Эта новая функция находится в стадии бета-тестирования.
Узнать больше.
Ваш вопрос
Как образовалась Луна: 5 диких лунных теорий
Введение
Имельда Б. Джосон и Эдвин Л. АгирреЛуна очаровывала человечество на протяжении тысячелетий, оказывая мощное воздействие на наше воображение так же, как она дергает океаны, вызывая приливы и отливы.
Однако, глядя на луну все эти годы, мы до сих пор не знаем точно, как она появилась. Вот краткое изложение наиболее известных теорий, которые ученые придумали для объяснения происхождения Луны, в том числе несколько относительно диких теорий с небольшим количеством наблюдательных данных, подтверждающих их. [Луна: 10 удивительных фактов о Луне]
ПЕРВАЯ ОСТАНОВКА: Захваченная Луна?
Захват
Программное обеспечение Starry Night Некоторые исследователи предполагают, что Луна могла первоначально сформироваться в другом месте — возможно, даже вокруг другой планеты, такой как Венера — до того, как была захвачена гравитационным притяжением Земли.
Таким образом другие миры получили луны. Например, Фобос и Деймос, два крошечных спутника Марса, считаются захваченными астероидами.
Идея захвата, конечно, на самом деле не теория происхождения; это просто касается того, как Луна вышла на орбиту Земли. И у него есть несколько серьезных проблем, самая серьезная из которых — геохимическое сходство Земли и Луны. Два тела имеют почти одинаковое соотношение изотопов кислорода, что позволяет предположить, что они образовались из одного и того же сырья.
NEXT: Spinning Off
Fission
JAXA/Koichi Wakata via @Astro_WakataЕще одна идея — очевидно, придуманная сыном Чарльза Дарвина Джорджем в 19го века — постулирует, что материал, из которого образовалась Луна, был выброшен в космос расплавленной, быстро вращающейся Землей в самые ранние дни существования Солнечной системы.
Большинство ученых отвергают гипотезу деления, говоря, что Земля не могла вращаться достаточно быстро, чтобы выбросить огромный кусок камня. Но одно исследование, проведенное в 2010 году, показало, что естественный ядерный взрыв, вызванный сверхконцентрацией радиоактивных элементов, мог стать толчком для вытеснения на орбиту куска ранней Земли размером с Луну.
СЛЕДУЮЩИЙ: Формирование с Землей
Совместное формирование
Университет Копенгагена, Ларс А. БуххейвТакже возможно, что Луна образовалась вместе с Землей 4,5 миллиарда лет назад, объединившись из газа и пыли в той же части нашего солнечного протопланетный диск системы.
Хотя эта гипотеза может объяснить изотопное сходство между Землей и Луной, в других отношениях она несостоятельна. Это не может объяснить, например, высокий угловой момент системы Земля-Луна или почему у Луны такое маленькое железное ядро по сравнению с ядром нашей планеты.
СЛЕДУЮЩИЙ: Обломки астероида
Столкновение планетезималей
NASA/JPL-Caltech/ T. Pyle (SSC) Некоторые ученые предположили, что Луна конденсировалась из обломков, образовавшихся при падении планетезималей — строительных блоков, из которых выросла Земля, Марс и другие полноценные планеты — столкнулись друг с другом вскоре после образования Солнечной системы.
Мало доказательств в поддержку этой теории, которая также не может объяснить геохимическое сходство между Землей и ее естественным спутником.
ДАЛЕЕ: Огромный удар
Гигантское столкновение
NASA/JPL-CaltechВедущая теория формирования Луны утверждает, что она образовалась из материала, выброшенного в космос, когда тело размером с планету врезалось в только что образовавшуюся Землю около 4,4 млрд лет назад.
Один из вариантов этой идеи утверждает, что ударник, получивший название «Тейя», был размером с Марс. Другая версия, представленная в 2012 году, предполагает, что и ударник, и цель — протоземля — были примерно на 50 процентов массивнее современной Земли.
Несмотря на то, что гипотеза гигантского столкновения продолжает корректироваться и уточняться, большинство ученых считают, что она лучше всего объясняет состав и орбиту Луны. Например, теория предсказывает маленькое железное ядро Луны, поскольку оно должно было образоваться в основном из мантий ударника и ранней Земли (обеим из них не хватало железа, которое уже было сконцентрировано глубоко в ядре).
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: [email protected].
Майкл Уолл — старший космический писатель Space.com (открывается в новой вкладке) , присоединился к команде в 2010 году. В основном он освещает экзопланеты, космические полеты и военный космос, но, как известно, увлекается космическим искусством. Его книга о поисках инопланетной жизни «Out There» была опубликована 13 ноября 2018 года. Прежде чем стать научным писателем, Майкл работал герпетологом и биологом дикой природы. У него есть докторская степень. по эволюционной биологии Сиднейского университета, Австралия, степень бакалавра Аризонского университета и диплом о высшем образовании в области научного письма Калифорнийского университета в Санта-Круз. Чтобы узнать, какой у него последний проект, вы можете подписаться на Майкла в Твиттере.