Если его гипотеза окажется верной, освоение спутника Земли претерпит существенные изменения по сравнению с прежними представлениями. Проверить это научное предположение станет возможным в ближайшее время – до окончания текущего десятилетия. Также нельзя исключать наличие линз с жидкой водой под поверхностью Луны.
Российский физик Николай Горькавый, в настоящее время проживающий и работающий в Соединенных Штатах Америки, представил новую формально обзорную работу, которая, тем не менее, содержит принципиально новые выводы, нехарактерные для подобных публикаций. В ней он анализирует существующие гипотезы о формировании Луны и исследует, как из них вытекают определенные особенности как земного спутника, так и других небесных тел, возникших по схожим сценариям. Он указывает, что если мультипактная теория формирования Луны является верной, ее можно будет достаточно просто проверить, изучив изотопный состав лунной воды. Более того, в таком случае Селена будет содержать столь значительное количество водяного льда, что он сформирует мощную вечную мерзлоту, простирающуюся на глубину до километра. Статья об этом опубликована в одном из первых номеров нового рецензируемого научного журнала Earth and Planetary Science, также она доступна на сервере препринтов Корнелльского университета.
Возникла ли Луна в результате формирования Земли и других планет, или же она появилась вследствие разрушения небесного тела?
Обзор посвящен трем ключевым теориям формирования Луны. Он начинается с аккреционной гипотезы Е. Л. Рускол разработала эту гипотезу к 1970-м годам. Согласно ей, Селена возникла аналогично планетам, в результате столкновения и последующего «слипания» на орбите вокруг Земли. Исходным материалом для формирования послужила пыль, захваченная гравитацией Земли, и такая пыль была характерна для внутренних областей ранней Солнечной системы. Однако, если бы Селена образовалась таким образом, то плотность Луны и содержание в ней тяжелых элементов должны были бы быть сопоставимы с земными.
На практике, что было окончательно подтверждено американскими астронавтами во время полетов, ее плотность на 40 процентов меньше, чем у Земли, а концентрация окислов железа почти в два с половиной раза ниже. Кроме того, расчеты демонстрировали, что согласно аккреционному сценарию, не может возникнуть спутник с массой, превышающую 0,001 земной. А масса Луны составляет более 0,01 от этой величины.
После завершения программы «Аполлон» появилась гипотеза, лишенная указанных недостатков — мегаимпактная, которая получила окончательную форму благодаря Хартманну и Дэвису в 1975 году. Согласно этой теории, крупное небесное тело (превышающее тысячу километров в диаметре), возможно, другая планета, столкнулось с молодой Землей на высокой скорости. Материал, выброшенный в результате этого столкновения из земной коры и верхней мантии, мог обладать достаточной массой для формирования Луны. Кроме того, концентрация окислов железа в верхних слоях планеты оказалась в пять раз ниже, чем во всем ее объеме — это представлялось убедительным объяснением недостатка тяжелых элементов, таких как железо, на Луне (и, как следствие, ее низкой плотности).
В заключение, энергия столкновения с телом сопоставимых размеров была колоссальной: выброшенные в космическое пространство обломки Земли должны были нагреться до полного испарения воды. Однако в лунном материале, вероятно, сохранилось значительное количество трудноплавких элементов. Это предположение также представлялось правдоподобным: американские космонавты совершили посадку в районах с небольшими широтами на Луне, поэтому не получили убедительных свидетельств о высоком содержании воды в местных горных породах. Более поздние вычисления, выполненные другими исследователями, продемонстрировали, что для возникновения подобного события потребовалось бы тело гораздо большего размера, чем предполагали Хартманн и Дэвис – планета, сопоставимая по размерам с Марсом, которую назвали Тейя.
По словам Горькавого, поступающие новые сведения стали создавать серьезные трудности для гипотезы мегаимпакта, подразумевающей масштабное столкновение с другой планетой. Выяснилось, что ядро Луны не может быть моложе ядра Земли. Это противоречит теории о формировании Луны в результате столкновения с другой планетой. К тому же, построение геологической истории ни для Селены, ни для Земли невозможно, если исходить из предположения о том, что их поверхности были полностью расплавлены.
На нашей планете наблюдается меньшая дифференциация по тяжелым элементам в мантии, чем ожидается при наличии расплавленной поверхности. Это связано с тем, что расплавление способствовало бы миграции тяжелых элементов вниз, в нижние слои мантии, и снизило бы их концентрацию в верхних слоях, однако в реальности такого процесса в значительных масштабах не зафиксировано. Помимо этого, выяснилось, что поверхность Луны содержит легкие элементы, которые предположительно должны были полностью испариться в результате мегаимпакта.
Селена возникла как спутники астероидов?
В 2004 году автор данного обзора представил альтернативную гипотезу, призванную объяснить как возникновение Луны, так и странное явление, заключающееся в наличии спутников у астероидов. Последние также характеризуются крайне высоким отношением массы спутника к массе основного тела, что представляло собой еще более сложную задачу для объяснения, чем формирование земной Луны. Проблема заключалась не только в том, что аккреционный механизм не позволяет создавать массивные спутники: не подходил и сценарий гигантского столкновения, поскольку вторая космическая скорость для астероидов очень мала, и после удара крупным телом выбитые им обломки, а также остатки самого тела, должны покинуть окрестности астероида, а не формировать там крупные спутники.
Учитывая это, а также открытие Харона – спутника, весьма крупного по отношению к Плутону, Горькавый выдвинул теорию мультипакта, предполагающую формирование Селены в результате серии столкновений сравнительно небольших тел диаметром от одного до 100 километров. Подчеркивается, что сразу после образования планеты вокруг нее должен был существовать аккреционный диск с крайне низкой массой. Обломки, выбитые из Земли астероидами и обладающие тем же направлением вращения, что и наша планета, сталкивались с телами первичного аккреционного диска, окружавшего Землю, и теряли часть своей энергии. В результате, различия в скоростях этой группы обломков уменьшались до уровня, при котором гравитация позволяла им объединиться.
Обломки, вращавшиеся в направлении, противоположном вращению Земли, при столкновениях с малыми образованиями аккреционного диска обладали чрезвычайно высокими скоростями, что приводило к значительной потере энергии и возвращению их фрагментов обратно на планету. В результате на околоземной орбите сохранялись только обломки, имеющие такое же направление вращения, как и у Земли. Со временем они объединялись, формируя Луну. Этот процесс был продолжительным и, благодаря невысокой энергии столкновений небольших астероидов, не вызвал плавления ни земной, ни лунной поверхности. Луна получила меньше тяжелых элементов, поскольку формировалась преимущественно из материала, выброшенного из верхних слоев планеты, которые уже были обеднены железом и подобными элементами к моменту формирования земной коры (так как тяжелые элементы опустились вглубь Земли).
Похожая картина, однако в гораздо меньшем размере, проявилась и при изучении астероидов. На данный момент она является наиболее вероятным объяснением масштабного выявления спутников у астероидов, поскольку мультиимпактные гипотезы не способны объяснить формирование такого количества подобных объектов.
Мультимпактная гипотеза приводит к неожиданному выводу. Согласно ей, твердые планеты, вращающиеся с низкой скоростью, не способны эффективно удерживать обломки, выброшенные из их поверхности, на своей орбите. Соответственно, небольшие планеты с медленным вращению вокруг оси (и, как следствие, с очень длинными сутками) не будут иметь крупных спутников не только в нашей Солнечной системе (например, Меркурий и Венера), но и в других планетных системах.
Как пояснил Николай Горькавый в комментарии для Naked Science, ракеты запускаются с Земли в восточном направлении, чтобы использовать вращение планеты для увеличения скорости. Запуск спутника в западном направлении представляет собой более сложную задачу. Аналогично, чем быстрее вращается планета, тем проще обломкам, выброшенным с ее поверхности в результате астероидных ударов, достигать спутниковых орбит. В результате, поток обломков будет сконцентрирован в направлении вращения планеты, что должно приводить к формированию спутников с прямым движением по орбите.
«Я высказал эти предположения в 2004 году, и впоследствии они нашли подтверждение в ходе изучения астероидов, обладающих спутниками: все эти луны демонстрируют прямолинейное движение. Известно, что спутники формируются вокруг быстро вращающихся астероидов, период обращения которых в среднем составляет 3 часа 40 минут, в то время как астероиды, не имеющие спутников, вращаются значительно медленнее (день на таких астероидах продолжается почти 7 часов). Ученый предполагает, что отсутствие спутников у Меркурия и Венеры также может быть обусловлено их медленным вращением, однако для окончательного подтверждения этой гипотезы потребуется отдельное, детальное моделирование.
Как выяснить, кто прав
Автор обзора ставит вопрос о возможности проверки справедливости одной из гипотез в современных условиях. Он считает, что ключевым показателем в этом случае может служить наличие воды. Согласно теории мегаимпакта, вода на Луне могла появиться только на ее поверхности и была доставлена туда кометами или солнечным ветром. Однако вода, содержащаяся в кометах, характеризуется значительно более высоким содержанием дейтерия по сравнению с земной водой. В то же время, водород, переносимый солнечным ветром, содержит гораздо меньше дейтерия, чем водород, входящий в состав молекул земной воды.
В гипотезе мультимпакта ситуация существенно отличается: предполагается, что вода присутствует во всей Луне, даже на значительной глубине. При этом, соотношение дейтерия в атомах водорода лунной воды должно быть схожим с земным — оно значительно отличается как от кометного, так и от состава солнечного ветра.
Изотопные соотношения указывают на то, что начальные исследования водных ресурсов в районе южного полюса Луны не согласуются с теорией мегаимпакта, однако подтверждают гипотезу мультимпакта. Перспективные возможности для таких исследований появятся уже в 2024 году, когда на Луну достигнет VIPER (Volatiles Investigating Polar Exploration Rover) – аппарат NASA, предназначенный для полярных исследований и изучения легких элементов. Кроме того, планируемое возвращение человека на Луну в 2020-х годах позволит окончательно разрешить вопрос об изотопном составе лунной воды.
Полученные данные, вытекающие из обсуждения природы лунной воды, представляются значимыми. Согласно утверждению автора обзора, если мультимпактная гипотеза окажется верной, слой, содержащий ледяную воду (лунная вечная мерзлота), будет залегать на глубине нескольких километров под поверхностью Луны. Более того, приполярные области будут отличаться иным рельефом (на фотографиях они действительно имеют более ровные формы). И, что особенно важно, при строительстве баз и посадочных площадок в таком районе потребуется учитывать вечномерзлотные условия и соответствующим образом определять несущую способность грунта.
Согласно гипотезе о мегаимпакте, содержание воды на Луне должно быть значительно меньше. Соответственно, если мультимпактная гипотеза получит подтверждение, организация поселений на Селене станет гораздо менее сложной задачей, чем предполагалось. По крайней мере, в части извлечения ресурсов, необходимых для получения воздуха и воды. Однако подход к созданию фундаментов и оснований потребуется скорректировать. Некоторые участки потребуется анализировать на предмет того, не произойдет ли деформация грунта из-за тепла жилых модулей.
Несмотря на потенциальное влияние мультиимпактной гипотезы на создание лунных баз, наиболее интересные последствия она имеет для природы самого спутника. Николай Горькавый в комментарии для Naked Science указал, что залежи льда, представленные в виде вечной мерзлоты, могут существовать и в районах с низкими широтами Луны, поскольку реголит предохраняет их от вакуума и солнечной радиации.
По словам ученого, данные, полученные при наблюдении за поверхностью Луны во время метеорных потоков, свидетельствуют о том, что микрометеоритная бомбардировка приводит к увеличению интенсивности спектра, связанного с водой. Предполагается, что этот слой вечной мерзлоты может быть неоднородным и зависеть от особенностей рельефа. Ключевой вопрос, требующий выяснения, заключается в том, происходит ли миграция воды из частично расплавленных лунных недр, где она содержится в оливинах и других минералах, в верхние слои поверхности? В случае положительного ответа, слой вечной мерзлоты будет более толстым и распределенным равномерно».
В ответ на вопрос о возможности существования участков с поверхностной жидкой водой в более теплых лунных глубинах, исследователь указал: «Стоит отметить, что вода была обнаружена в вулканических стеклах в образцах, доставленных миссиями «Аполлон» – в лаве, извергнутой из недр Луны. Это говорит о наличии воды, аналогично тому, как она присутствует в земной мантии. Защищенная слоем грунта от вакуума, подземная мерзлота также должна сохраниться. Кроме того, в недрах Луны могут существовать очаги магматической воды. Поэтому я не стал бы исключать вероятность существования глубинных водных линз».