В случае подтверждения гипотезы освоение спутника Земли будет кардинально отличаться от прежних представлений. Проверить это научное предположение удастся в ближайшее время — к концу десятилетия. Нельзя исключить и вероятность существования под лунной поверхностью линз с жидкой водой.
Российский физик Николай Горькавый, проживающий и работающий в США, опубликовал новую обзорную работу, содержащую принципиально новые выводы. В ней рассмотрены гипотезы образования Луны и их влияние на особенности земного спутника и других тел, образовавшихся по сходным механизмам. Автор отмечает, что если мультимпактная теория образования Луны верна, ее можно проверить изучением изотопного состава лунной воды. В этом случае Селена будет настолько богата водным льдом, что на глубине до километра там будет образовываться мощная вечная мерзлота. опубликованаВ первоначальных выпусках новой авторитетной научной периодики Earth and Planetary Science, также она доступна на сервере препринтов Корнелльского университета.
Возникновение Луны — загадка, подобная образованию Земли и других планет: произошла ли она одновременно с ними или возникла вследствие разрушения какой-то планеты?
Обзор освещает три основных теории происхождения Луны. Начинается … аккреционной гипотезыЕ. Л. Рускол (сформировалась к 1970-м). Селена образовалась, как планеты — столкновением и последующим «слипанием» на орбите вокруг Земли. Источником формирования была пыль, захваченная гравитацией Земли и типичная для внутренних областей ранней Солнечной системы. При таком сценарии плотность Луны и содержание в ней тяжелых элементов должно быть сходным с земными.
Полёты американских астронавтов прояснили: плотность Луны на 40 процентов ниже земной, а содержание окислов железа почти в два с половиной раза меньше. Рассчёты показывают, что по аккреционному сценарию не может образоваться спутник массой более 0,001 земной, а Луна массивнее 0,01 от этой величины.
После программы «Аполлон» к главенствующей гипотезе стали относиться с критикой. Мегаимпактная теория, предложенная Хартманном и Дэвисом в 1975 году, рассматривает столкновение молодой Земли с телом размером более тысячи километров. Отделенные фрагменты земной коры и верхней мантии могли стать основой для формирования Луны. Кроме того, содержание окислов железа в верхних слоях планеты в пять раз меньше, чем во всей Земле. Это, возможно, объясняет недостаток тяжелых элементов типа железа на Луне и ее низкую плотность.
В итоге энергия столкновения тела такого масштаба была огромной: выброшенные в космос фрагменты Земли должны были нагреться до полной потери воды. В лунном материале же должно было остаться много тугоплавких элементов. Это тоже казалось правдоподобным: американские космонавты совершили посадку в низких широтах Луны, поэтому однозначных данных о большом содержании воды в местных породах не получили. Более поздние расчеты других учёных показали, что для такого события требовалось тело значительно крупнее, чем считали Хартманн и Дэвис — планета размером с Марс, названная Тейя.
По словам Горькавого, накопление новых данных приносит гипотезе мегаимпакта (колоссальное столкновение с другой планетой) существенные проблемы. Оказалось, ядро Луны не должно быть моложе Земли. Это противоречит гипотезе о ее образовании от столкновения с другой планетой. Кроме того: ни на Луне, ни на Земле невозможно построить геологическую историю, предполагая полную расплавленность поверхностей.
На нашей планете дифференциация по тяжелым элементам в мантии меньше ожидаемой для расплавленной поверхности.
Ведь расплавление упростило бы перемещение тяжелых элементов вниз, в нижние слои мантии, и обеднение верхних слоев. Однако такого массового явления не наблюдается. Помимо этого, поверхность Луны содержит легкие элементы, которые должны были полностью испариться при мегаимпакте.
Селена возникла как спутники астероидов?
В 2004 году автор обзора предложил новую гипотезу, объясняющую происхождение Луны и необычные спутники астероидов. Последние также обладают большим соотношением массы спутника к самому телу, что сложнее объяснить, чем земную Луну. Проблема не только в том, что аккреционный сценарий не создает массивные спутники, мегаимпакт тоже не подходит, поскольку вторая космическая скорость для астероидов крайне мала. После столкновения осколки и остатки тела должны вылететь из окрестностей астероида, а не образовать там крупные спутники.
Основываясь на этом и открытии Харона (спутника Плутона), Горькавый выдвинул теорию мультимпакта: образование Луны множеством столкновений сравнительно небольших тел в диаметре от одного до 100 километров. После образования планеты вокруг неё должен был быть аккреционный диск малой массы. Обломки, выбиваемые астероидами из Земли, имевшие такое же направление вращения, что и наша планета, ударялись о тела первичного околоземного диска. Ударяясь, обломки теряли энергию. В итоге разницы скоростей этой группы снижались до уровня, когда гравитация позволяла им слиться.
Обломки, вращавшиеся в направлении, противоположном вращению Земли, при столкновении с малыми телами аккреционного диска имели очень высокие скорости соударения и теряли столько энергии, что части падали обратно на планету. В итоге на околоземной орбите оставались только обломки с тем же направлением вращения, что и у Земли. Постепенно сливаясь друг с другом, они образовали Луну. Процесс этот был длительным и, в силу умеренной энергии ударов небольших астероидов, не сопровождался плавлением ни поверхности Земли, ни поверхности Луны. Последняя действительно получала меньше тяжелых элементов, потому что в основном формировалась из выбитых из верхнего слоя планеты обломков, которые были обеднены железом и тому подобным еще к моменту образования земной коры (благо тяжелые элементы опустились вглубь Земли).
Похожий сценарий, но в меньшем масштабе, как по Горькавому, можно наблюдать и у астероидов. Только это объяснение может привести к массовому обнаружению спутников у них: другие гипотезы не допускают такого большого числа этих тел.
Из мультимпактной гипотезы следует необычное следствие: твердые планеты с медленным вращением не должны эффективно накапливать выбитые из поверхности обломки на орбите. Следовательно, маленькие планеты с медленным вращением вокруг своей оси (длинными сутками) будут лишены крупных спутников не только в Солнечной системе (Меркурий и Венера), но и в других планетных системах.
Николай Горькавый в комментарии для Naked Science пояснил это предположение так: ракеты стартуют на восток, чтобы земное вращение добавило им скорости. Запуск спутника на запад сложнее. Подобно этому, чем быстрее вращается планета, тем легче достигают орбит спутники, выброшенные с ее поверхности метеоритными ударами. Поток обломков будет больше в направлении вращения планеты, и, следовательно, должны образовываться спутники с прямым обращением вокруг неё.
В 2004 году были высказаны предположения, которые подтвердились при изучении астероидов со спутниками: все эти луны обладают прямым обращением. Спутники формируются возле быстро вращающихся астероидов, совершающих оборот за три часа 40 минут в среднем, в то время как астероиды без спутников вращаются вдвое медленнее (день на таких астероидах длится почти семь часов). Можно предположить, что отсутствие спутников у Меркурия и Венеры тоже связано с их медленным вращением. Чтобы подтвердить это твердо, необходимо провести отдельное детальное моделирование.
Как выяснить, кто прав
Автор обзора задается вопросом: можно ли определить верную гипотезу в наши дни? По его мнению, ключевым индикатором может быть вода. Теория мегаимпакта предполагает, что лунная вода может находиться только на поверхности, куда ее привезли кометы или солнечный ветер. Но вода из комет содержит больше дейтерия, чем земная. Водород солнечного ветра же наоборот, содержит меньше дейтерия, чем водород в молекулах земной воды.
В гипотезе мультимпакта вся Луна должна быть богата водой даже на большой глубине. Важно то, что соотношение дейтерия в атомах водорода лунной воды должно быть похоже на земное, сильно отличаясь от кометных и пропорций солнечного ветра.
Разоблачение соотношения изотопов воды у южного полюса Луны покажется нелогичным для теории мегаимпакта, но подтвердит гипотезу мультимпакта. Первый аппарат, способный к подобному исследованию, NASA VIPER (Volatiles Investigating Polar Exploration Rover), доставит на Луну свои возможности уже в 2024 году. Возвращение человека на Луну в 2020-х позволит окончательно выяснить изотопный состав лунной воды.
Позиции участников дискуссии о лунной воде оказываются примечательными. В случае справедливости гипотезы множественных воздействий слой льда (лунная вечная мерзлота) может простираться на километры вглубь Луны. При этом полярные регионы будут отличаться рельефом: на фотографиях у них более «гладкие» формы. Важно, что строительство баз и площадок для посадки потребует учета вечномерзлоты и расчета несущих свойств грунта.
Если гипотеза мегаимпакта верна, вода на Луне будет в разы реже. Подтверждение мультимпактной гипотезы сделает строительство баз проще, по крайней мере, для добычи ресурсов: воздуха и питьевой воды. Но фундаменты и основы придется проектировать иначе: некоторые зоны нужно будет проверять на прочность грунтовых слоёв против тепла обитаемых модулей.
Независимо от влияния мультимпактной гипотезы на лунные базы, она порождает самые увлекательные выводы именно о самой природе спутника. Николай Горькавый в комментарии для Naked Science указал, что залежи льда, подобные вечной мерзлоте, могут присутствовать и в низких широтах Луны, так как реголит защитит их от вакуума и солнечного излучения.
Ученый отмечает, что данные наблюдений поверхности Луны во время метеорных потоков показывают всплеск в спектре, ассоциированном с водой, вызванный микрометеоритной бомбардировкой. Возможно, слой вечной мерзлоты не сплошной и зависит от рельефа. Неясно, происходит ли перенос воды из частично расплавленных лунных недр, где она содержится в оливинах и других минералах, в поверхностный слой? Если да, то слой вечной мерзлоты будет мощнее и непрерывнее.
Исследователь ответил на наш вопрос о возможности существования поверхностных областей с жидкой водой в глубинах Луны (где теплее, чем на поверхности): «В образцах „Аполлона” воду нашли в вулканических стеклах — в лаве, извергнутой из лунных недр. Значит, там есть вода, как и в земной мантии. Подземная мерзлота сохранится, защищенная слоем грунта от вакуума. Останутся также глубинные очаги магматической воды. Так что я бы не отвергал идею глубинных водных линз на Луне».