Луна появилась с третьей попытки: почему сценарий «множественных столкновений» работает лучше, чем удар Тейи

Долгое время в астрономии доминировала теория о том, что Луна родилася в результате одного столкновения Земли с планетой Тейя. Однако чем точнее становятся наши приборы, тем больше несостыковок находится в этой теории. Новое исследование британских ученых предлагает альтернативный сценарий, который может разрешить главный парадокс лунной геологии: Луна не родилась в один миг, а собиралась по частям в ходе серии космических столкновений.

Кризис «Канонической гипотезы»

Последние 30 лет в учебниках астрономии описывалась гипотеза Гигантского столкновения. Сценарий такой: около 4,5 миллиардов лет назад в молодую Землю врезалось небесное тело размером с Марс (Тейя). Удар выбросил на орбиту облако обломков, из которого и слепилась Луна.

Эта модель отлично объясняет физику вращения системы Земля-Луна и дефицит железа в лунном ядре. Но у нее есть одна проблема — химия.

Если бы Луна образовалась из обломков Тейи, ее химический состав (изотопные подписи кислорода, титана, кремния и вольфрама) должен был бы отличаться от земного. Однако образцы грунта с «Аполлонов» показали что Земля и Луна изотопно почти идентичны.

Чтобы спасти старую теорию, ученым приходится придумывать маловероятные условия: либо Тейя случайно состояла из того же материала, что и Земля (шанс чего ничтожно мал), либо удар был настолько мощным, что оба тела полностью перемешались. Новое исследование группы ученых из Бристольского университета и Имперского колледжа Лондона, предлагает более простое решение: гипотезу множественных ударов.

Эффект космического блендера

Используя современный гидродинамический код SWIFT, исследователи провели серию симуляций, моделируя эволюцию ранней Земли. Вместо одного удара они рассматривали цепочки из 3-4 столкновений с небесными телами меньшего размера.

Симуляции показали:

1. Снижение требований к ингредиентам: для создания Луны, похожей на Землю, больше не нужен ударник с идеально совпадающим составом. Множество ударов эффективно перемешивают материал, сглаживая химические различия.
2. Постепенный рост: каждый удар выбрасывает на орбиту диск обломков, из которого формируется спутник-зародыш (мунлет). Следующий удар создает новый диск, который взаимодействует с уже существующим мунлетом, заставляя его расти.

Как собрать Луну по кусочкам: результаты симуляции

Ученые смоделировали 12 различных цепочек столкновений. В одной из моделей удалось воспроизвести систему, очень похожую на нашу:

• Масса: сформировалась Луна массой, равной современной.
• Состав: «композиционная дистанция» (различие в составе) между планетой и спутником оказалась крайне низкой (около 0.27), что сопоставимо или даже лучше, чем в самых удачных моделях одиночного гигантского удара.
• Дефицит железа: получившаяся Луна, как и реальная, имела очень маленькое железное ядро (менее 5% от массы).

Исследование показало, что цепочка из трех и более ударов способна создать спутник нужного размера с гораздо большей вероятностью, чем одно удачное столкновение с Тейей.

Подводные камни и открытые вопросы

Авторы статьи, следуя принципам научной честности, выдвигают и критику своей работы. Они признают, что модель не идеальна.

Главная сложность — угловой момент (количество вращательного движения системы). В симуляциях моменты импульса сбрасывались между ударами, что является упрощением. В реальности накопление энергии от множества ударов могло бы заставить Землю вращаться слишком быстро. Однако ученые отмечают, что существуют механизмы (например, резонанс эвекции), которые могли бы затормозить вращение планеты уже после формирования Луны.

Кроме того, модель предполагает, что маленькие луны (мунлеты) успешно сливаются друг с другом, не выбрасываясь в открытый космос гравитационными силами. Это требует определенных временных интервалов между ударами — от миллионов до десятков миллионов лет, что вполне укладывается в картину формирования ранней Солнечной системы.

Почему это важно?

Гипотеза множественных ударов решает проблему, которая мучила планетологов десятилетиями. Проблема вольфрама-182 (изотопа, зависящего от формирования ядра) в «канонической» модели казалась почти неразрешимой. Новая модель позволяет сохранить гетерогенность (разнородность) мантии Земли, при этом обеспечивая достаточное смешивание для того, чтобы Луна казалась близнецом нашей планеты.

Как заключают авторы, сценарий «множественных столкновений» — это действительно новая надежда для понимания того, как мы стали обладателями самого крупного (относительно размера планеты) спутника в Солнечной системе.

Источник: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society