Земля выплюнула Луну: гипотеза внутреннего взрыва отменяет столкновение с Тейей

Общепринятая модель формирования Луны в результате гигантского столкновения, на самом деле, очень противоречивая. Геохимические данные указывают на то, что у спутника Земли следов внешней материи нет. Новая теоретическая работа, опубликованная в Acta Geochimica, аргументирует гипотезу деления, дополняя ее механизмом выброса огромного количества вещества из недр планеты.

В середине XX века наука, казалось бы, определилась с историей Луны: протопланета Тейя размером с Марс ударила по касательной в молодую Землю, а из выброшенных на орбиту обломков сформировался спутник. Однако в последние десятилетия эта теория, известная как Гипотеза гигантского столкновения, переживает так называемый «изотопный кризис».

Суть проблемы в геохимии. Моделирование показывает, что при столкновении Луна должна была сформироваться преимущественно из вещества Тейи (до 70-90%). Поскольку небесные тела в Солнечной системе имеют уникальный изотопный состав, Луна должна химически отличаться от Земли. Однако анализ образцов, доставленных миссиями «Аполлон», демонстрирует обратное: изотопные сигнатуры кислорода, титана, кремния и вольфрама на Земле и Луне практически идентичны. Это подразумевает то, что Луна сформировалась из земного вещества.

В новой работе геофизик Мэтью Эдвардс предлагает пересмотреть уже существующую классическую гипотезу Джорджа Дарвина о центробежном разделении Земли, добавив в нее термодинамический фактор: взрывное высвобождение энергии, накопленной в мантии.

Проблема углового момента

Джордж Дарвин еще в 1879 году предположил, что ранняя Земля вращалась настолько быстро, что центробежные силы в сочетании с солнечными приливами разорвали планету, выбросив часть массы на орбиту. Однако физические расчеты показали несостоятельность этой идеи в чистом виде: для такого события сутки на Земле должны были длиться не более 2-3 часов. Современный угловой момент системы Земля-Луна составляет лишь четверть от необходимого для такого сценария значения.

Эдвардс утверждает, что деление могло произойти и при более медленном вращении (сутки около 4-6 часов), если бы центробежным силам помог мощный внутренний импульс.

Роль мантийных аномалий

Основным элементом новой модели выступают крупные области с низкой скоростью сдвиговых волн (LLVP) — две массивные структуры, расположенные на границе ядра и мантии под Африкой и Тихим океаном. В рамках гипотезы столкновения их часто интерпретируют как остатки Тейи, погрузившиеся в недра Земли.

Эдвардс предлагает посмотреть под другим углом: LLVP не следствие удара извне, а причина выброса изнутри.

Согласно предложенному механизму:

1. Накопление энергии: после формирования ядра Земли в экваториальной области на границе с мантией начал скапливаться избыток тепла и летучих веществ. Это привело к образованию тороидального пояса перегретого вещества (что согласуется с недавними сейсмологическими данными).
2. Формирование нестабильности: из этого пояса развились два антиподальных плюма — прото-LLVP. В одном из них (Тихоокеанском) концентрация летучих веществ и температура достигли критических значений, переведя материю в состояние сверхкритической жидкости.
3. Выброс: сочетание быстрого вращения планеты, растягивающего экватор, и колоссального внутреннего давления привело к нарушению целостности вышележащей мантии. Произошел направленный взрыв, выбросивший часть вещества прото-LLVP и силикатной мантии на околоземную орбиту.

Физика процесса аналогична механике извержения кимберлитовых трубок, при которых магма поднимается с огромной скоростью за счет расширения газов, только в данном случае событие имело планетарный масштаб.

Решение геохимических парадоксов

Модель взрывного деления предлагает объяснения для ряда наблюдаемых фактов, которые трудно объяснить в рамках ударной гипотезы:

• Изотопная идентичность: поскольку Луна сформировалась из вещества земной мантии, их изотопный состав совпадает.
• Дефицит летучих веществ: лунные породы крайне бедны водой и калием. Взрывной сценарий предполагает фазовый переход вещества в плазму и газ при выбросе, что привело к потере летучих элементов в вакууме.
• Асимметрия полушарий: видимая сторона Луны и ее обратная сторона существенно отличаются по толщине коры и химическому составу. Модель предполагает гравитационную сепарацию выброшенного материала: более тяжелые фракции, богатые железом (из глубин LLVP), остались на более низких орбитах и сформировали видимую сторону, тогда как легкие силикаты ушли выше, образовав толстую кору обратной стороны.

Энергетический баланс

Главный вопрос к гипотезе — источник энергии, необходимой для выброса массы Луны. По оценкам, для этого требуется порядка 10²⁹-10³⁰ Джоулей. В статье рассматриваются несколько сценариев накопления такой энергии в ранней Земле:

1. Радиогенный разогрев: высокая концентрация радиоактивных изотопов (уран, торий) в ранней мантии при отсутствии эффективного теплоотвода (тектоника плит еще не работала).
2. Ядерный геореактор: возможность существования природных зон цепной реакции деления на границе ядра и мантии.
3. Гравитационная термодинамика: гипотетические процессы преобразования гравитационной энергии в тепловую (связанные с так называемой Лямбда-светимостью).

Значение для планетологии

Работа Эдвардса говорит, что формирование спутников может быть закономерным этапом эволюции быстро вращающихся планет с активным ядром, а не только результатом случайных космических столкновений.

Существующие сегодня Тихоокеанская и Африканская области LLVP в этом смысле воспринимаются как структуры, возникшие до появления Луны. А различие в их строении объясняется тем, что Тихоокеанская структура сбросила давление и материю, тогда как Африканская сохранилась в первозданном виде.

Источник: Acta Geochimica