Формирование лунного ударного бассейна Южный полюс — Эйткен, произошло в результате столкновения, которое спровоцировало возникновение мантийного плюма. Этот плюм, в свою очередь, стал причиной образования скопления лунных морей на видимой стороне Луны.
Внешний вид лунного диска, который всем хорошо знаком, определяется двумя типами ландшафта, формирующими лунную поверхность. Темные области, известные как «моря», представляют собой равнины, состоящие из застывших слоев базальтовой лавы. Около трех-четырех миллиардов лет назад эта лава покрыла низменности видимой стороны Луны. Светлые участки характеризуются более возвышенным рельефом и состоят из гор, кратеров, их бортов, а также отдельных древних вулканических образований.
На обратной стороне Луны наблюдается дефицит обширных равнин, известных как «моря», и ее геологическое строение значительно отличается от видимой стороны. В частности, на видимой стороне литосфера имеет относительно небольшую толщину и характеризуется повышенным содержанием так называемых KREEP-породами, они представляют собой конечный продукт затвердевания магмы. В их составе накапливаются определенные радиоактивные элементы, образовавшиеся естественным путем, что приводит к усилению радиогенного нагрева геологических структур с их значительным присутствием. На обратной стороне Луны литосфера более толстая, а концентрация элементов, типичных для KREEP-пород, значительно ниже. Также на ней находится обширный ударный кратер Южный полюс — Эйткен, его диаметр по внешнему валу равен 2200 километров, что составляет две трети диаметра Луны, а относительная глубина достигает 14 километров.
На лицевой стороне также расположены ударные бассейны, в том числе один из них — Море Дождей (Mare Imbrium) – это образование, которое легко различить без использования оптических приборов. С первого взгляда оно не выглядит как кратер, поскольку, подобно другим равнинам видимой стороны Луны, вскоре после своего формирования оно было полностью покрыто лавовыми потоками. В отличие от них, бассейн Южный Полюс — Эйткен, несмотря на свои внушительные размеры и глубину, характеризуется лишь небольшими, локальными участками базальтовых извержений на дне.
Ученые из Университета Брауна под руководством Мэтта Джоуса провели исследование) провели компьютерное моделирование лунных геологических процессов и смогли связать друг с другом два важнейших события в истории спутника нашей планеты: образование бассейна Южный полюс — Эйткен и появление лунных морей.
Исследователи установили, что подобное столкновение должно спровоцировать значительный разогрев мантии вблизи места удара, что окажет существенное влияние на общую картину мантийной конвекции на Луне. Асимметрия же мантийной конвекции, вероятно, приведет к асимметричному распределению KREEP-пород, плотность которых находится между корой и мантией, и которые способны перемещаться вместе с мантийными потоками. Для изучения этого вопроса ученые провели серию моделирований, изменяя параметры астероидного удара. В результате было установлено, что смоделированные удары, соответствующие характеристикам бассейна Южный полюс — Эйткен, способны объяснить наблюдаемое распределение KREEP-пород.
В результате исследований была предложена следующая последовательность событий. Изначально последний расплав, сохранившийся при медленном затвердевании пород мантии и сформировавший KREEP-породы, равномерно распределился на границе коры и мантии. Около 4,2-4,3 миллиарда лет назад с Луной столкнулся крупный астероид, его диаметр составлял приблизительно 200 километров. В результате удара образовался бассейн Южный полюс — Эйткен, и мантийная порода под ним подверглась нагреву. Нагрев пород вызвал появление восходящего потока — мантийного плюма. После выхода на поверхность, поток начал распространяться под литосферой, перемещая KREEP-породы в разные стороны от места столкновения. С течением времени эти породы скопились в области, расположенной напротив центра бассейна, став причиной продолжительного и интенсивного нагрева лунных недр на видимой стороне.
После столкновения, произошедшего в районе скопления KREEP-пород, спустя сотни миллионов лет начался интенсивный вулканизм, который вызвал затопление значительных территорий видимой стороны базальтовыми потоками (формирование лунных «морей») и вывело на поверхность элементы, свойственные KREEP-породам. В то же время, в области, находящейся под бассейном Южный полюс — Эйткен, произошло обеднение радиоактивными элементами. Поэтому даже истончение литосферы в результате удара и наличие под ней плюмы обусловили лишь незначительные и локальные извержения базальтов. Замеченное превышение содержания радиоактивных элементов в бассейне по сравнению с окружающей территорией объясняется тем, что удар вынес на поверхность вещество из лунной мантии.
Несмотря на значительный прогресс в изучении Луны, остается немало нерешенных вопросов. К примеру, остается неясным, почему литосфера на обратной стороне Луны более толстая — представленная в статье модель не дает объяснения этому явлению. Некоторые ученые считают, что гигантское столкновение с гипотетической Тейей породило не только Луну, но и второй спутник Земли диаметром около 1200 километров. Он просуществовал несколько десятков миллионов лет, после чего столкнулся с Луной. Удар, который случился задолго до всех описываемых событий, произошел на скорости всего двух-трех километров в секунду, и вместо образования кратера спутник просто «рассыпался» по обратной стороне Луны, став частью ее литосферы.
Другое исследование также проводит связь между геологической активностью видимой стороны и формированием бассейна Южный полюс — Эйткен, но предлагает более простой механизм и не объясняет картины распределения KREEP-пород. Возможно, в действительности роль сыграли оба механизма.