Откуда взялась Луна. И почему она до сих пор остается загадкой
Ни одна другая планета не имеет такого большого спутника, как Земля. Откуда у нас появился этот странный сосед?
Луна - загадочная. Мы видим её с любой точки Земли, но всегда только одну её сторону. Она руководит морскими приливами, сексом животных и, возможно, сном людей.
Впрочем, никто не был на Луне до 1969 году. Однако и через полвека после первой высадки на ней побывали только 12 человек.
Благодаря им, а также множеству беспилотных зондов, теперь мы больше знаем о поверхности ближайшего к нам небесного тела. Несмотря на это, ученые до сих пор не имеют окончательного ответа на простой вопрос: как возникла Луна.
Или отломалась она каким-то образом от Земли? Или бродила по Солнечной системе, пока Земля не привлекла её в свою орбиту? А может, случилось что-то вообще апокалиптическое?
Галилео Галилей изучал Луну при помощи мощного телескопа
Наши предки не смогли добраться до Луны, но это не мешало им рассуждать о её происхождении.
Первые гипотезы
Первый весомый вклад сделал итальянский астроном, физик и философ Галилео Галилей. Он создал мощный телескоп, с помощью которого Луну можно было увидеть гораздо подробнее, чем раньше.
В начале XVII века Галилей показал, что поверхность Луны похожа на Землю. Она так же покрыта горами и равнинами. Это был первый намек на то, что Земля и Луна каким-то образом образовались вместе.
Следующая гипотеза возникла через целых два столетия. Сын Чарльза Дарвина Джордж предположил, что когда Земля была новой, она вращалась очень быстро. В результате часть ее оторвалась и улетела в космос, образовав Луну. На Земле остался след от этого обломка - Тихий океан.
Эту теорию особо никто не поддержал, а после Второй мировой войны появилась другая идея.
Поверхность Луны покрыта горами, равнинами и кратерами
Теория Урея
Химик Гарольд Урей предположил, что Луна прилетела из другой части галактики. Её привлекло земное притяжение, когда она проходила мимо.
В этой теории есть рациональное зерно. Для спутника планеты Луна очень большая по сравнению с Землей. Но если она образовалась в другом месте, это имеет смысл. Во-вторых, мы всегда видим только одну сторону Луны, а так бывает именно тогда, когда объект попадает в зону притяжения другого.
Некоторые ученые, однако, сомневались. Они не были уверены, что Земля могла привлечь Луну, не изменив своей орбиты. Они также предполагали, что оба тела скорее всего столкнулись бы.
Этого могло не случиться, если бы атмосфера Земли в то время была достаточно большой. Она бы сработала как гигантская подушка безопасности, замедлив движение Луны и оттолкнув её обратно в космос. Но это кажется довольно маловероятным.
Ученым была нужна теория, которая соответствовала бы нескольким важным наблюдениям. Во-первых, Луна - большая по сравнению с Землей. Во-вторых, она ускоряется, постепенно удаляясь от Земли.
Одна из гипотез утверждала, что Земля и Луна образовались вместе из гигантского диска материи, вращающейся вокруг черной дыры.
Впрочем, ее быстро опровергли. Эта теория не объясняла скорость, с которой Луна вращается вокруг Земли. Кроме того, астрономы подсчитали, что плотность Луны в полтора раза меньше Земли, то есть вряд ли они могли образоваться из одного аккреционного диска.
Наконец, нет и никаких признаков существования черной дыры.
Астронавт Джон В. Янг на Луне во время миссии "Аполлон-16"
Теория Урея оставалась ведущей в течение 1960-х годов, когда США начали готовить первый пилотируемый полет на Луну. Если Урей прав, Луна должна иметь другой химический состав, чем Земля.
Чтобы проверить это, астронавты "Аполлона" должны были привезти на Землю образцы лунной породы. Когда они это сделали, все имеющиеся теории происхождения Луны разлетелись вдребезги.
Первой потерпела поражение теория скола Джорджа Дарвина. Образцы пород показали, что Луна гораздо старше дна Тихого океана, из которого он должен походить.
Теория захвата Урея также оказалась ложной.
Образец лунной породы, который привезли астронавты «Аполлона-15"
Ко всеобщему удивлению, химический состав лунного грунта оказался почти идентичным грунту Земли. И следовательно, предположение Урея, что Луна и Земля образовались далеко друг от друга, было маловероятным.
Образцы также показали, что Луна образовалась примерно на 29 млн лет позже, чем другие подобные объекты Солнечной системы.
Похоже, что начало её истории было огненным. Темные участки её поверхности позволяют предположить, что когда-то она была охвачена глубоким океаном жидкой магмы.
Ни одна из существующих на тот момент теорий происхождения Луны не совпадала с новыми данными. Миссия "Аполлона" вызвала "глубокое смятение" в науке, отметил исследователь Джей Мелош из Университета Пердью в городе Уэст-Лафайетт.
Гипотеза ударного формирования Луны
В 1975 году, через три года после последнего полета "Аполлона", была выдвинута новая идея. Гипотеза ударного формирования Луны, как ее стали называть, была чрезвычайно драматичной.
Когда Солнечная система формировалась 4,5 миллиарда лет назад, вокруг нее летали разнообразные космические обломки. Как предполагают Уильям Гартман и Дональд Дэвис из Института планетарных наук в Таксоне, в штате Аризона, один из них попал в Землю.
Очевидно, это был очень большой обломок, возможно, размером с Марс, масса которого равна одной десятой Земли.
Эта гипотетическая планета, которую назвали Тея, как в бильярде, нанесла мощный удар в сторону Земли.
В результате удара часть внешнего слоя Земли отделилась и образовала гигантский расплавленный шар. Шар ярко горел, охватив примерно треть земного неба, пока не остыл и не удалился.
Столкновение Земли и Теи смоделировали на компьютере, и оно выглядит очень правдоподобным. Во-первых, эта гипотеза объясняет, почему железное ядро Луны примерно вдвое меньше земного. Ядро Теи слилось с Землей, поэтому Луне не осталось много.
Она также объясняет, почему Луна имеет так мало "летучих веществ", элементов, которые легко испаряются в газы. Энергия, которая высвободилась при столкновении, выбросила их в космос.
Наконец, относительные размеры Земли и Теи могут объяснить скорость орбиты Луны.
Вот почему Алекс Халлидей из Оксфордского университета называет эту гипотезу "лучшей из худших". Но и в ней тоже остаются слабые места.
Одно из них - то самое, которое разрушило теорию Урея: Земля и Луна очень похожи химически.
Большинство химических элементов имеют тонкие вариации - изотопы. Каждый атом состоит из трех типов частиц: протонов, электронов и нейтронов.
Каждый атом определенного элемента должен иметь одинаковое количество протонов и электронов, но количество нейтронов может меняться, создавая изотопы.
Изотопы выполняют роль своеобразного химического оттиска. Если вам надо выяснить происхождение некоторого материала, изучение смеси изотопов, которую он содержит, поможет это сделать.
Молодая Земля и Луна были очень горячими
В случае с лунной породой, часть изотопов должна походить с Земли, а часть - с Теи, и следовательно, изотопный состав должен содержать нечто среднее между двумя. Но на самом деле он практически такой же, как и у Земли.
Если Тея была, она не оставила следа на Луне.
Это - основная проблема гипотезы ударного формирования Луны.
Изотопы вольфрама и кремния в первую очередь важны, потому что они образуются при формировании планетарного ядра.
"У каждой планеты своя история формирования ядра, а потому эти изотопы предполагают, что Луна происходит именно из атомов Земли", - объясняет Халлидей.
Мелош называет этот вывод "изотопным кризисом". Однако гипотезу ударного формирования Луны она не опровергает полностью.
Самое простое объяснение состоит в том, что Тея случайным образом имела такой же изотопный след, как и Земля, возможно потому, что образовалась неподалеку.
Однако моделирование ранней Солнечной системы предположило, что вероятность этого составляет менее 1%.
В Солнечной системе нет других известных тел с таким же изотопным составом, как Земля и Луна. Ученые хотели бы получить образцы пород с Венеры и Меркурия, чтобы увидеть, есть ли у них похожие изотопы, но когда это станет возможным, неизвестно.
В противном случае, удар мог быть таким мощным, что Тея и Земля расплавились, а их атомы смешались между собой. Это могло бы объяснить, почему Земля и Луна так похожи, но было ли столкновение таким катастрофическим, неизвестно.
Также предполагают, что тело, которое врезалось в Землю, состояло преимущественно из льда. Таких ледяных шаров достаточно много во внешней Солнечной системе, и они могли обстреливать Землю с высокой скоростью.
Но даже тогда Луна только на 73% состояла бы из земных атомов, чего недостаточно для объяснения изотопов.
Проблема в том, что Тея должна была нанести Земле скользящий удар, иначе Луна оказалась бы на другой орбите, но такой боковой удар противоречит тому, что показывают изотопы.
Возможно, Тея и не нанесла боковой удар. В 2012 Матия Чук и Сара Стюарт из Гарвардского университета в Кембридже, в штате Массачусетс, пришли к выводу, как это могло произойти.
Они предположили, что Земля уже вращалась очень быстро, когда Тея ударилась об нее. Если Земля крутилась стремительно, импульса от удара было достаточно, чтобы отправить Луну на правильную орбиту.
Необходимости в скользящем ударе не было: Тея могла столкнуться с Землей лоб в лоб.
Это означает, что Тея могла быть меньше, чем считалось ранее, примерно 2% от массы Земли. Это также означает, что Луна образовалась в основном из земной материи.
Эта гипотеза "выбила почву из-под ног всех теорий", - говорит Мелош.
Современные исследования происхождения луны
В апреля 2015 года появилось еще больше доказательств в подтверждение гипотезы ударного формирования.
Алессандра Мастробуоно-Баттисты из Израильского технологического института в Хайфе и ее коллеги провели более подробную симуляцию объектов, которые кружили вокруг в ранней Солнечной системе.
Они обнаружили, что космические тела, которые врезались в планеты, были гораздо более похожими на сами планеты, чем считалось ранее. Вероятность того, что Тея и Земля были похожими повысились с 1% до 20%.
И хотя шансы все еще небольшие, объяснить удивительное сходство Земли и Луны становится немного легче.
Впрочем, работа не завершена. "Нам все еще не хватает некоторых звеньев", - говорит Стюарт.
Теперь большинство исследователей считают, что окончательная версия будет все же основываться на гипотезе ударного формирования, но для убедительного объяснения сходства изотопов нужны некоторые данные.
Луна образовалась из обломков, выброшенных в космос Теей
Самое сложное изобрести теорию, в которой каждый аспект Земли и Луны выглядел бы правдоподобно. Теории, которые требуют, чтобы Тея имела определенную массу, или удар был только под определенным углом, вызывают сомнения.
Впрочем, именно в этом и есть причина такого интереса к происхождению Луны - она необычная.
Возможно, мы и не должны удивляться, что её происхождение отчасти было чистой случайностью.
