Обнаружено, что поверхность Луны содержит значительное количество углерода — легкомысленного элемента, который не смог бы существовать в составе спутника Земли, если бы он образовался в результате столкновения с Тейей. Это указывает на то, что гипотетическая планета Тейя и само масштабное столкновение Земли с ней не имели места. Формирование Луны произошло иным способом, описанным в 2007 году физиком Николаем Горькавым. В таком сценарии небесное тело представляется более подходящим для освоения людьми. Рассмотрим причины.
Тайна возникновения Луны: как первая высадка на её поверхность дала начало теории гигантского столкновения
Планеты Солнечной системы, вероятно, сформировались схожими способами — из протопланетного диска, подобные которым астрономы обнаруживают у других звезд и в наши дни. В процессе формирования планета, находящаяся на определенной орбите, действует как своеобразный «пылесос», притягивая к себе все, что находится поблизости планетезимали (мелкие протопланетные тела).
Со временем практически все эти объекты должны достичь поверхности планеты. Лишь небольшие тела, сопоставимые по размеру с Деймосом, могут остаться в космосе, однако Луна слишком массивна, чтобы образоваться из подобных «обломков.
Как же появилась наша спутница, учитывая, что слово «луна» имеет женский род? Как следует из предыдущего, это могло произойти лишь после завершения формирования Земли и исключительно под воздействием мощных внешних сил — сама по себе части Земли не могли оторваться и взлететь в небо (хотя в XIX веке существовала несколько упрощенная гипотеза об этом).
Уже при наблюдении за Луной в бинокль возникает вопрос об источнике этих таинственных внешних воздействий. Поверхность спутника испещрена множеством кратеров, образовавшихся в результате ударов астероидов.
Возможно, большое количество астероидов приблизилось к Земле и, постепенно сталкиваясь, образовали структуру, напоминающую кольца Сатурна. Последующее замедление движения и незначительные соударения, по предположению, могли привести к формированию Луны. Эта гипотеза, предложенная советским астрономом Евгенией Рускол в 1975 году, однако не получила подтверждения в результате анализа лунного грунта.
Анализ образцов, доставленных миссиями «Аполлон» и советской автоматической станцией «Луна-24», выявил практически идентичное соотношение изотопов различных элементов в лунном и земном грунте.
Сформироваться из астероидов, прилетевших из других регионов Солнечной системы, спутник Земли не мог. Различные участки протопланетного диска характеризуются разным изотопным составом элементов, что легко прослеживается при анализе марсианского грунта или метеоритов, обнаруженных на Земле.
В планетах тяжелые элементы, как правило, оседают в ядре, в то время как в мантии их содержание незначительно. Анализ лунной поверхности выявил недостаток тяжелых элементов, таких как железо, характерный для земных пород. Однако, астероиды не обладают достаточной массой, чтобы удерживать эти элементы внутри своей структуры, поэтому они остаются распределенными по всему объему.
По логике вещей, Луна должна была сформироваться преимущественно из вещества Земли, однако каким образом это произошло?
В 1975 году американские ученые Уильям Хартман и Дональд Дэвис выдвинули интересную гипотезу о мегаимпакте. Согласно этой гипотезе, около 4,5 миллиарда лет назад прото-Земля столкнулась с планетой Тейя. В результате столкновения на земную орбиту было выброшено большое количество обломков нашей планеты, которые значительно нагрелись от энергии удара, оцениваемой в триллионы мегатонн.
Данная гипотеза имела два ключевых следствия. Прежде всего, Земля лишилась своего первоначального океана, который, по сути, испарился в результате столкновения. Кроме того, Луна, компоненты которой после мегаимпакта нагрелись ещё сильнее, чем у Земли (до температур в тысячи градусов), потеряла всю воду, а также все лёгкие элементы.
Ученые с Земли отвечают на действия Тейе
На протяжении двадцати пяти лет существовало убеждение, что вопросы образования Луны решены. Однако, это было лишь видимостью: в лунных образцах, привезенных миссиями «Аполлон» и «Луна-24», обнаружена вода, что сложно объяснить нагревом компонентов спутника Земли в результате взрыва, сопоставимого по мощности с триллионами мегатонн.
Проблема была решена довольно легко: лунная программа США реализовывалась в ускоренном темпе, поэтому контейнеры для образцов грунта со спутника оказались не самыми качественными – они были негерметичными (реголит высыпался из них во время транспортировки). Загрязнение образцов водой объяснили уже после доставки на Землю. Аналогичное объяснение предложили для аномальных данных ионных детекторов «Аполлонов», тоже показавших воду в лунном грунте.
Советские образцы поставлялись в стандартной упаковке, поэтому здесь нельзя искать другие объяснения. Однако, решающую роль сыграл другой фактор: на Западе аналогичные советские разработки не были оценены по достоинству не заметил.
И все же возникли трудности, и причина заключалась в силе мегаимпакта, который был оценен как минимум в триллионы мегатонн. Еще в XXI веке наблюдения с орбиты Луны выявили наличие значительного слоя водного льда в приполярных кратерах спутника. По последним оценкам за 2019 год, его там 100 миллиардов тонн.
Необходимо учитывать, что оценка касается только поверхностного льда, находящегося в кратерах. Водный лед, расположенный в обширных лавовых трубках (лунных пещерах с диаметром до нескольких километров), не может быть оценен с орбиты, и его запасы, возможно, значительно превышают известные.
Совмещение этого с гипотезой «сухой возгонки» как способа получения лунного материала из земного, извлеченного Тейей, представляется сложной задачей. Вода при нагревании стремительно испаряется, а скорость молекул при этом настолько высока, что обломки не способны удерживать ее притяжением.
Возражения поступили и от исследователей Земли. Удар, необходимый для формирования Луны, должен был не только испарить океаны, но и временно вызвать на Земле лавовые моря, расплавив верхние слои планеты. Однако геологи утверждают, что на нашей планете не обнаружено никаких следов лавовых морей, даже локальных, не говоря уже о глобальном лавовом океане.
Для объяснения происхождения лунной воды выдвинута гипотеза о её доставке кометами из далёких регионов Солнечной системы. Однако, согласно расчётам российских учёных, эта версия представляется маловероятной: при столкновении кометы с Луной не менее 95% вещества выбрасывается обратно в космическое пространство.
По всей видимости, кометы доставили на Луну не менее триллионов тонн воды. Этот результат кажется неожиданным, поскольку гравитация Земли, находящейся поблизости, вероятно, должна была притягивать большинство комет, проходящих через эту область Солнечной системы.
А была ли Тейя?
Впервые альтернативное объяснение проблем, связанных с мегаимпактной гипотезой, было предложено в 2007 году Николаем Горькавым опубликовал статью «Образование Луны и двойных астероидов», где показал, что возможен совсем другой механизм рождения нашего спутника.
Его модель он назвал «мультиимпактной», и по его мнению, она способна объяснить формирование крупных спутников, таких как Луна Земли, Харон у Плутона, а также двойных астероидов.
Мультиимпактная модель предполагает, что земные спутники формируются не в результате одного крупного столкновения, а в результате серии более мелких ударов. Любой достаточно большой астероид, падающий на Землю, неизбежно выбрасывает из нее обломки.
Поскольку энергия столкновения в данном случае невелика, на Земле не формируются лавовые моря. Кроме того, выброшенные обломки не полностью расплавляются: их центральные части могут не достигать даже температуры кипения воды.
По прибытии на околоземную орбиту, эти обломки могли развиваться по двум различным сценариям. Изначально, на заре формирования Земли, вокруг нее, вероятно, существовал небольшой диск из протоспутников, вращавшийся в том же направлении, что и сама планета.
После столкновения с Землей крупного астероида, обломки, выброшенные по направлению к вращению планеты, присоединялись к этому диску. И наоборот, обломки, выброшенные против направления вращения, теряли свою энергию при столкновении с протоспутниковым диском. Любой объект на орбите, теряющий энергию, неизбежно сближается с планетой — таким образом, эти обломки вернулись на Землю.
Со временем накопленные «невозвращенцы» могли существенно увеличить массу протоспутникового диска, достигнув 1% от массы Земли или превысив этот показатель.
Читатель может возразить: если мы будем запускать объекты в космос с помощью электромагнитного ускорителя, то они либо покинут окрестности Земли, либо в конечном итоге вернутся на ее поверхность.
Со временем все искусственные спутники, находящиеся на орбите Земли, будут замедляться из-за столкновений с пылью в околоземном пространстве и, в конечном итоге, упадут на планету. Возникает вопрос: как обломки, образовавшиеся в результате столкновения Земли с древними астероидами, смогли «остаться» в небе на протяжении 4,5 миллиардов лет, сформировав Луну?
Именно здесь проявляется главная ценность модели мультиимпакта. Самостоятельно фрагмент Земли не смог бы оставаться на орбите в течение миллиардов лет. Однако, по расчетам Горькавого, взаимодействие этого фрагмента с древним протоспутниковым диском кардинально изменило ситуацию.
Несмотря на небольшой размер, древний диск характеризовался устойчивыми орбитами своих компонентов. Обломки, образовавшиеся на Земле в результате столкновения с астероидом и движущиеся в определенном направлении, при сближении с телами протоспутникового диска сталкивались с ними, передавая часть своей кинетической энергии.
Формирующаяся Луна, возникшая из протоспутникового диска, не могла сразу упасть на Землю, поскольку на нее постоянно воздействовали удары новых обломков, препятствуя этому. Часть этих «подталкивающих» обломков падала на планету, а другая – на прото-Луну, увеличивая ее массу. В соответствии с этим сценарием, со временем Луна должна была начать отдаляться от Земли, что и наблюдается в реальности.
Для формирования объекта размером с Луну из обломков, образовавшихся в результате столкновения с Землей, потребовалось, вероятно, огромное количество астероидов — возможно, миллионы. При этом, речь идет о телах, размер которых варьируется от 10 до 1000 километров в диаметре.
В настоящее время подобные объекты не перемещаются по системе, однако большое количество древних кратеров на обратной стороне Луны свидетельствует о том, что три-четыре миллиарда лет назад они присутствовали. Таким образом, имеющиеся данные согласуются друг с другом.
У гипотезы Горькавого были и недостатки: она не получила широкого признания в США, поскольку научные школы, как правило, отдают предпочтение собственным разработкам, а не идеям, пришедшим из других стран.
Автор также публиковался в русскоязычном научном журнале, что затруднило понимание его концепции для тех, кто не владеет русским языком. В связи с этим, американские исследователи продолжают придерживаться теории мегаимпактного происхождения, хотя и отмечают, что происхождение лунной воды в ней остается не до конца ясным
Японские исследования: могут ли они разрешить дискуссии о Луне?
Авторы исследования, опубликованного в журнале Science Advances изучили данные спектрометров японского искусственного спутника Луны «Кагуя», работавшего еще в 2007-2009 годах. Они обратились к той стороне его наблюдений, что ранее не была введена в научный оборот, — а именно, к регистрации им ионов углерода. Оказалось, в среднем с одного квадратного сантиметра лунной поверхности вылетает по 50 тысяч таких ионов в секунду.
По оценкам, это значительный объем, превышающий суммарный поток солнечного ветра и микрометеороидов, достигающий поверхности Луны. Также стоит отметить, что над базальтовыми участками лунных морей плотность потока ионов углерода выше, чем над реголитом. Базальт образовался в результате излияний из лунной мантии, следовательно, он не может содержать элементы, которых изначально не было на Луне.
Всё это указывает на то, что углерод и другие легкие элементы изначально присутствовали на Луне с момента ее формирования и не могли быть доставлены туда кометами или другими объектами из внешних районов Солнечной системы.
В принципе, это решение должно положить конец дискуссии. Значительное содержание углерода на Луне указывает на то, что она не могла быть «сухой» и не иметь легких элементов, как предполагает гипотеза о мегаудара. Эти сведения также имеют практическую ценность: вероятно, в лавовых трубках удастся обнаружить не только водяной, но и сухой лед (твердый диоксид углерода).
Как это ни удивительно, во многих ситуациях это представляет собой полезный источник, из которого можно получить метан — перспективное ракетное топливо, первый ракетный двигатель для которого в 2019 году уже был испытан полетом экспериментального стенда SpaceX.
Ранее считалось, что на Луне присутствует только водный лед. Теоретически, его можно разделить на кислород и водород, который может служить эффективным топливом. Однако, на практике использование этого ресурса за пределами Земли затруднено: из-за небольшого размера молекул водорода, даже самые совершенные резервуары начинают терять его в значительных объемах в вакууме в течение нескольких месяцев.
Сжиженный метан значительно легче хранить в резервуарах, так как он может сохранять свои свойства годами. Поэтому, если рассматривать Луну как промежуточную точку для дозаправки при полете к Марсу, более перспективным представляется получение метана из углекислого газа и продуктов разложения воды, а не добыча водорода из лунных водных ресурсов.
Впрочем, пока это вопрос точки зрения. Немедленные результаты наблюдений «Кагуи» предсказываются без труда: в настоящее время сторонники теории мегаудара будут оперативно искать объяснение и вносить изменения в свою гипотезу, чтобы объяснить, каким образом расплавленные при столкновении гипотетической Тейи земные породы смогли сохранить легкие элементы.
Ученые обладают изобретательностью, поэтому мы надеемся, что им удастся скорректировать параметры мегаимпакта и адаптировать их к новым данным. Однако, в стратегическом плане, их попытки спасти мегаимпактную теорию обречены на провал.
Вероятность столкновения двух планет значительно ниже вероятности того, что на древнюю Землю упадет множество астероидов. Реализация первого события настолько сложна, что на данный момент не существует даже приблизительных оценок его вероятности. Астероидная бомбардировка, как можно наблюдать по рельефу Луны и других спутников нашей системы, — явление достаточно распространенное. Следовательно, это закономерный процесс, лучше всего объясняемый принципом бритвы Оккама.
Вероятно, теория образования Луны в результате множественных столкновений в конечном итоге будет признана верной, хотя этот момент может наступить лишь после смены поколения ученых, придерживающихся гипотезы о гигантском столкновении.