Модель ударного формирования Луны

Эта статья находится на начальном уровне проработки, в одной из её версий выборочно используется текст из источника, распространяемого под свободной лицензией
Материал из энциклопедии Руниверсалис
Один из вариантов Гигантского столкновения

Модель ударного формирования Луны (употребляется также термин «Модель мегаимпакта»[1][2], «Гигантское столкновение» (от англ. Giant impact) и т. д.) — распространённая гипотеза формирования Луны. Согласно этой модели, Луна возникла в результате столкновения молодой Земли и объекта, по размерам сходного с Марсом[3]. Этот гипотетический объект иногда называют Тейя в честь одной из сестёр-титанид, матери Гелиоса, Эос и Селены (луны).

В пользу этой гипотезы свидетельствуют бедность Луны летучими элементами, маленький размер её ядра из сернистого железа, соображения, связанные с моментом импульса системы Земля — Луна[3], образцы лунного грунта, указывающие на то, что поверхность Луны когда-то была расплавленной, а также свидетельства подобных столкновений в других звездных системах.

Однако осталось несколько вопросов, связанных с этой гипотезой, которые так и не получили объяснения. К их числу можно отнести: отсутствие в лунных образцах ожидаемого процентного содержания летучих элементов, окисей железа или сидерофильных элементов, а также отсутствие доказательств того, что Земля когда-то имела океаны магмы, подразумеваемые этой гипотезой.

Данные, полученные в рамках программы «Аполлон», согласно которым соотношение изотопов титана в лунных образцах совпадает с земным, требуют пересмотра существующих моделей формирования Луны с учётом изотопной однородности. На данный момент существует несколько модификаций теории столкновения, которые позволяют объяснить эту однородность. В частности, Тейя могла быть массивнее, чем считалось до сих пор, или Луна могла остывать дольше[4].

Впервые теорию гигантского столкновения выдвинули Уильям К. Хартманн[en] и Дональд Р. Дэвис[en] в 1975 году в статье[5], напечатанной в журнале «Icarus».

Сценарий столкновения

Эволюция лунной орбиты за последние 4,5 млрд лет[6]

Вскоре после своего формирования Земля столкнулась с протопланетой Тейя. Удар пришёлся не по центру, а под углом (почти по касательной). В результате ядра планет слились, а фрагменты их силикатных мантий были выброшены на околоземную орбиту[7]. Из этих обломков собралась прото-Луна и начала обращаться по орбите с радиусом около 60 000 км.

Земля в результате удара получила резкий прирост скорости вращения (один оборот за 5 часов) и заметный наклон оси вращения[источник не указан 1138 дней]. На ней должен был образоваться большой океан магмы[7]. Несколько процентов массы Земли были выброшены за пределы системы Земля — Луна[8].

Свидетельствуют о таком столкновении собранные экипажами космических аппаратов «Аполлон» образцы лунных пород, которые по составу изотопов кислорода почти идентичны веществу земной мантии[источник не указан 4774 дня]. При химическом исследовании этих образцов не обнаружено ни летучих соединений, ни лёгких элементов; предполагается, что они были «выпарены» при чрезвычайно сильном нагреве, сопутствовавшем образованию этих пород. Сейсмометрией на Луне были измерены размеры её железо-никелевого ядра, которое оказалось меньше, чем предполагается другими гипотезами образования Луны (например, гипотезой одновременного формирования Луны и Земли). В то же время, такой малый размер ядра хорошо вписывается в теорию столкновения, в которой считается, что Луна сформировалась в основном из выброшенного при ударе более легкого вещества мантии Земли и столкнувшегося с нею тела, в то время как тяжёлое ядро этого тела погрузилось и слилось с ядром Земли.

Помимо самого факта существования Луны, теория объясняет и дефицит в земной коре фельзических («светлых») и промежуточных пород, которых недостаточно для полного покрытия поверхности Земли. В результате мы имеем материки, состоящие из относительно лёгких фельзических пород, и океанские бассейны, состоящие из более тёмных и тяжёлых металлосодержащих пород. Такая разница в составе пород, при наличии воды позволяет функционировать системе тектонического движения литосферных плит, образующих земную кору.

Также предполагается, что наклон земной оси и само вращение Земли — результат именно этого столкновения.

Датировка столкновения

По оценке Карстена Мюнкера и др. (2003), удар должен был произойти не менее 4,533 млрд лет назад, когда (по данным датирования методом 182Hf-182W) завершилось выделение земного ядра[7][9], и Луна должна быть младше Солнечной системы лишь на около 30 млн лет[10].

По оценке Уильяма Боттке  (англ.) (рус. и других (2015), основанной на изучении метеоритов, интерпретированных как фрагменты астероидов, сталкивавшихся с выбросами от этого удара, столкновение Земли с Тейей и образование Луны произошли около 4,47 млрд лет назад[8].

Согласно результатам Мелани Барбони и других (2017), основанным на уран-свинцовом датировании цирконов из лунных пород, Луна была дифференцированной и в основном затвердевшей уже 4,51 млрд лет назад, и из этого следует, что «гигантское столкновение» и формирование Луны произошли в первые 60 ± 10 млн лет существования Солнечной системы[11].

Тейя

Основная статья: Тейя (гипотетическая планета)
Тейя сформировалась в точке Лагранжа L4, затем перешла на хаотическую орбиту, приблизилась к Земле и столкнулась с нею. Одна «петля» орбиты занимает один год. Земля показана неподвижной (вращающаяся система отсчета)

По мнению некоторых[кого?], столкновение тела марсовых размеров с Землёй под таким углом, чтобы не разрушить планету, в сочетании с возникшим «удачным» углом наклона оси Земли (который обеспечивает смену времени года), плюс создание условий для мощной литосферной тектоники (которая обеспечивает воспроизводство «углеродного цикла»), — всё это может являться доводом в пользу малой вероятности возникновения жизни вообще, и, соответственно, крайне малой вероятности существования жизни в ближайших областях Вселенной. Эта гипотеза получила название «гипотеза уникальной Земли».

Однако в вышедшей в 2004 году статье Эдвард Белбруно и Ричард Готт предположили, что столкнувшаяся с Землёй гипотетическая протопланета Тейя могла сформироваться в одной из точек Лагранжа системы Земля-Солнце — L4 или L5, а затем перейти на беспорядочную орбиту, например в результате гравитационных возмущений со стороны других планет, и ударить Землю на более-менее низкой скорости[12].

Такой механизм существенно повышает вероятность встречи небесного тела с Землёй при требуемых параметрах столкновения.

Моделирование, проведённое в 2005 году доктором Робином Кэнапом, показало, что спутник Плутона Харон мог также образоваться около 4,5 миллиардов лет назад от столкновения Плутона с другим телом из пояса Койпера, диаметром от 1600 до 2000 км, которое ударило планету на скорости 1 км/с. Кэнап предполагает, что такой процесс формирования спутников планет мог быть обычным делом в молодой Солнечной системе. Такие планеты на нестабильных орбитах пропадают очень быстро после возникновения планетной системы, и вращение нынешних планет может объясняться этим механизмом.

В таком случае «гипотеза уникальной Земли» сводится лишь к нужному положению планеты в нашей звёздной системе, большому количеству жидкой воды на поверхности и тяжёлому спутнику на низкой орбите, стабилизирующему ось Земли, создающему гигантские приливы и перемешивающему содержимое океана в течение миллиарда лет[источник не указан 4239 дней].

Примечания

  1. ↑ Витязев А. В., Печерникова Г. В., Сафронов В. С. Планеты земной группы. — Наука. — М., 1990. — С. 200—201. — ISBN 5-02-014070-8.
  2. ↑ Левин А. Прекрасная Селена. Дата обращения: 4 июля 2011. Архивировано 25 сентября 2015 года.
  3. ↑ 3,0 3,1 Herwartz D., Pack A., Friedrichs B., Bischoff A. Identification of the giant impactor Theia in lunar rocks // Science. — 2014. — Vol. 344, № 6188. — P. 1146—1150. — doi:10.1126/science.1251117. — Bibcode: 2014Sci...344.1146H. — PMID 24904162.
  4. ↑ Гипотезу ударного формирования Луны поставили под сомнение. Дата обращения: 23 июня 2020. Архивировано 12 апреля 2021 года.
  5. ↑ Hartmann W. K., Davis D. R. (1975). «Satellite-sized planetesimals and lunar origin». Icarus 24 (4): 504–514. doi:10.1016/0019-1035(75)90070-6. Bibcode: 1975Icar...24..504H.
  6. ↑ Ross, M. N. Evolution of the lunar orbit with temperature‐ and frequency‐dependent dissipation : [англ.] / M. N. Ross, G. Schubert // Journal of Geophysical Research. — 1989. — Vol. 94, no. B7. — P. 9533–9544. — doi:10.1029/JB094iB07p09533.
  7. ↑ 7,0 7,1 7,2 Münker C., Pfänder J. A., Weyer S. et al. Evolution of planetary cores and the Earth-Moon system from Nb/Ta systematics // Science. — 2003. — Vol. 301, № 5629. — P. 84—87. — doi:10.1126/science.1084662. — Bibcode: 2003Sci...301...84M. — PMID 12843390.
  8. ↑ 8,0 8,1 Bottke W. F., Vokrouhlicky D., Marchi S. et al. Dating the Moon-forming impact event with asteroidal meteorites // Science. — 2015. — Vol. 348, № 6232. — P. 321—323. — doi:10.1126/science.aaa0602. — Bibcode: 2015Sci...348..321B. — PMID 25883354.
  9. ↑ Münker C., Pfänder J. A., Büchl A., Weyer S., Mezger K. Formation of Planetary Cores and timing of Moon separation: constraints from high precision Nb/Ta measurements in meteorites and terrestrial samples // EGS - AGU - EUG Joint Assembly, Abstracts from the meeting held in Nice, France, 6 - 11 April 2003, abstract id.12002. — 2003. — Bibcode: 2003EAEJA....12002M.
  10. ↑ Kleine T., Münker C., Mezger K., Palme H. Rapid accretion and early core formation on asteroids and theterrestrial planets from Hf–W chronometry // Nature. — 2002. — Vol. 418, № 6901. — P. 952—955. — doi:10.1038/nature00982. — Bibcode: 2002Natur.418..952K. — PMID 12198541.
  11. ↑ Barboni M., Boehnke P., Keller B. et al. Early formation of the Moon 4.51 billion years ago // Science Advances. — 2017. — Vol. 3, № 1. — doi:10.1126/sciadv.1602365. — Bibcode: 2017SciA....3E2365B.
  12. ↑ [1]Архивная копия от 9 июня 2020 на Wayback Machine [astro-ph/0405372] Where Did The Moon Come From?

Литература

Ссылки

Источник — https://xn--h1ajim.xn--p1ai/index.php?title=Модель_ударного_формирования_Луны&oldid=18445234