Как возникла Луна? Несмотря на наличие более тонны образцов лунных пород и результаты множества исследований, проведенных как с орбиты, так и на поверхности, ответ на этот вопрос до сих пор остается предметом дискуссий. Международная группа ученых, проанализировав результаты этих исследований, сформулировала вывод, который может вызвать сомнения у сторонников наиболее распространенной гипотезы.
Луна представляет собой необычный объект, если рассматривать его в сравнении с другими спутниками. Ее диаметр вполне типичен, однако масса составляет всего 1,2 процента от массы Земли, что делает ее самым крупным спутником по отношению к своей планете во всей Солнечной системе. Строение Луны также вызывает вопросы: ее небольшое металлическое ядро составляет не более четырех процентов от общей массы небесного тела. Для сравнения, на ядро Земли приходится более 30 процентов ее массы. Кроме того, естественный спутник вращается вокруг планеты слишком быстро. Таким образом, история формирования Луны должна учитывать все эти особенности.
Плотность Луны сопоставима с плотностью земной мантии, а по изотопному составу темные лунные породы имеют сходство с вулканическими породами Земли. Эти совпадения стали основой для гипотезы о формировании Луны в результате столкновения Земли с массивным небесным телом. Из выброшенного на орбиту вещества со временем образовался спутник. Аналогичный вывод был сделан на основе изучения эволюции движения системы «Земля — Луна».
Основная трудность, связанная с гипотезой о столкновении, заключается в том, что, согласно компьютерному моделированию, Луна в результате такого сценария формируется в основном из вещества другого небесного тела, а не Земли. Чтобы объяснить схожесть состава Луны и Земли, исследователи предложили альтернативные гипотезы, которые также основываются на механизме столкновения. Так, одна из версий предполагает, что некий объект выбросил вещество из Земли, а другая – что столкнулись два объекта, частично состоящие из земного материала, что привело к образованию Земли и Луны.
Ученые из Швейцарской высшей технической школы Цюриха и Рочестерского университета (США) объединили данные геохимических и геофизических исследований Луны, чтобы определить наиболее вероятные сценарии формирования ее образования выложена в открытый доступ на сайте arXiv.
Геофизические исследования выявили, что ядро Луны, радиусом 300 ± 20 километров, составляет от 0,8 до 1,5 процента от общей массы спутника. Указанные характеристики ядра накладывают определенные ограничения на его состав, а также на состав других слоев. При условии, что состав всей Луны схож с верхней мантией Земли, ядро должно обладать высокой плотностью (около 7,8 тысячи килограммов на кубический метр) и состоять преимущественно из сплава железа и никеля. Однако, если в составе Луны содержится больше оксидов железа, чем в земной мантии, то плотность ядра будет ниже, и оно может включать значительное количество других элементов.
На данный момент мы не располагаем сейсмическими данными о строении Луны, полученными с глубин, превышающих 1,1 тысячи километров (радиус спутника составляет 1,7 тысячи километров). Вероятно, необходимая информация будет собрана в ходе будущей миссии Lunar Geophysical Network (пока не утверждена) или чувствительные сейсмометры Farside Seismic Suite, которые могут быть доставлены на поверхность спутника в рамках программы CLPS (NASA).
В новой научной работе также определено относительное содержание 70 элементов в мантии и коре Луны. Полученные данные указывают на то, что Земля и Луна образовались из единого материала, то есть возникли в одной области протопланетного диска, без включения вещества, предположительно выбитого при столкновении. Наш спутник сформировался около 4,5 миллиарда лет назад из вещества, в котором к тому времени практически отсутствовали летучие компоненты.
Для более детального понимания процессов, приведших к образованию различных слоев Луны, требуется анализ горных пород (предпочтительно – мантии), полученных из удаленных районов спутника, не затронутых предыдущими посадочными миссиями. Эти образцы могут быть доставлены в рамках будущих миссий « Чанъэ-6» (Китай) и лунохода Endurance (концепт, NASA).
Для решения вопроса об отсутствии «примесей» предлагаются модели, предполагающие интенсивное столкновение и смешение материи импактора и протоземли. Авторы недавнего исследования подчеркивают, что поведение вещества в таких экстремальных условиях до сих пор недостаточно изучено и не включено в численные модели, воспроизводящие подобные процессы. К тому же, изотопный состав и соотношение элементов, обнаруженные на Луне, не могли сформироваться при высоких температурах, которые возникают при масштабном столкновении с последующим смешением вещества.
В целом, на Луне не обнаружено свидетельств о столкновении Земли с Тейей, гипотетической протопланетой. Либо это столкновение не происходило, либо в ходе него вещество нашей планеты было настолько тщательно перемешано с веществом «гостьи», что это произошло до формирования спутника. По мнению ученых, «на данный момент модель гигантского столкновения является наименее убедительной из всех существующих объяснений формирования Луны».