Японский зонд подтвердил теорию российского физика об образовании Луны

Поверхность Луны оказалась богата углеродом — относительно легким элементом, который не мог бы сохраниться в материале спутника Земли, если бы он сформировался после столкновения с Тейей. Это означает, что ни этой гипотетической планеты, ни самого мегасоударения Земли с ней никогда не было. Луна же возникала по принципиально иному механизму, открытому в 2007 году физиком Николаем Горькавым. Причем в таком сценарии это небесное тело более пригодно для колонизации землянами. Разбираемся почему.

Планета земного типа с обломочным кольцом и спутником на его окраине / @Corgen

Загадка рождения Луны: как высадка на спутник породила гипотезу мегаимпакта

Планеты Солнечной системы образовались относительно аналогичными путями — из протопланетного диска, подобные которому астрономы находят у других звезд и сегодня. Во время формирования планеты на той или иной орбите она там действует как пылесос: притягивает к себе все планетезимали (мелкие протопланетные тела).

Рано или поздно почти все они должны упасть на планету. Исключением могут быть только мелкие тела, по размерам близкие к Деймосу, но Луна так велика, что ее из таких мелких «крошек» не построить.

Возникает естественный вопрос: как же возникла наша спутница (раз уж слово «луна» женского рода)? Из изложенного выше очевидно: это могло произойти только после окончания образования Земли и исключительно за счет каких-то мощных внешних сил — сами по себе куски Земли не оторвутся и в небо не полетят (хотя в XIX веке и была такая несколько наивная гипотеза).

Достаточно взглянуть на Луну в хороший бинокль, чтобы в голову сама собой пришла мысль об источнике этих загадочных внешних сил. Спутник покрыт массой кратеров — следов падения астероидов.

Может, на земную орбиту прилетела куча астероидов, которые затем постепенно столкнулись друг с другом, их обломки создали подобие колец Сатурна, а потом потеряли скорость и за счет слабых соударений образовали Луну? Такая гипотеза была выдвинута в 1975 году советским астрономом Евгенией Рускол, но, увы, не пережила анализов лунного грунта.

Геолог Харрисон Шмитт, член экипажа Apollo 17, использующий ручной минибур для добычи образца лунного грунта из интересующего его участка. В отличие от «Луны-24», он мог выбирать место, откуда брал образец. Но дефектные американские контейнеры привели к тому, что результаты его усилий не воспринимались на Земле до конца всерьез / ©Wikimedia Commons

Дело в том, что образцы «Аполлонов» и советской «Луны-24» показали, что соотношение изотопов разных элементов у лунного и земного грунта почти неотличимо.

Значит, спутник Земли никак не мог сформироваться в основном из астероидов, прилетевших из других частей Солнечной системы. Ведь разные участки протопланетного диска имеют разное соотношение изотопов тех или иных элементов. Это легко прослеживается по анализам марсианского грунта или метеоритов, которые находят на Земле.

Кроме того, в веществе планет тяжелые элементы легко уходят вниз, в ядро, в мантии их мало. Лунная поверхность показала «земной» дефицит тяжелых элементов — например, железа. А вот в астероидах тяжелые элементы никуда не опускаются — они для этого слишком маломассивные.

Само собой выходило, что Луна должна была образоваться в основном из земного материала, — но как?

Американские ученые Уильям Хартман и Дональд Дэвис в том же 1975 году предложили крайне интригующую гипотезу мегаимпакта. По ней с древней прото-Землей около 4,5 миллиарда лет назад столкнулась планета Тейя. Удар выбросил на земную орбиту много обломков нашей планеты, причем они были серьезно разогреты от ударного события, чья энергия, по расчетам, должна была исчисляться как минимум триллионами мегатонн.

Из этой гипотезы было два важных следствия. Во-первых, Земля должна была потерять свой первичный океан — тот буквально выкипел после удара. Во-вторых, Луна, чьи компоненты после мегаимпакта были прогреты еще сильнее земных (до тысяч градусов), должна была потерять вообще всю воду в принципе. А равно — все легкие элементы.

Земные ученые наносят по Тейе ответный удар

Двадцать пять лет казалось, что с образованием Луны все ясно. Мы не зря употребили слово казалось: в том же лунном грунте, доставленном «Аполлонами» и «Луной-24», нашли воду, что не особо совместимо с нагревом компонентов спутника Земли от взрыва на триллионы мегатонн.

Но вопрос решился просто: лунная программа США разрабатывалась в спешке, поэтому контейнеры для грунта со спутника там сделали не особо удачными: они были негерметичными (реголит высыпался из них еще при транспортировке). Воду в них списали на загрязнение образцов уже на Земле. На него же списали данные ионных детекторов «Аполлонов», тоже показавших воду в лунном грунте.

Советские образцы были в нормальных контейнерах, так что тут уже ни на что не спишешь. Но помогло другое: на Западе соответствующую советскую работу никто не заметил.

И все-таки проблемы возникли — причем дело было именно в силе мегаимпакта, расчетом выведенной минимум в триллионы мегатонн. Уже в XXI веке серия наблюдений с орбиты Луны показала, что в приполярных кратерах спутника налицо весьма толстый слой водного льда. По последним оценкам за 2019 год, его там 100 миллиардов тонн.

Вход в лавовую трубку в Море Спокойствия на Луне. Такие пещеры могут достигать километра в диаметре и тянуться на десятки километров. Внутри могут находиться запасы водного и сухого льда / ©Wikimedia Commons

Тут следует учесть, что речь идет только о том, что находится на поверхности, в кратерах. Водный лед в огромных лавовых трубках (лунных пещерах диаметром до километров) оценить с орбиты нельзя, и его количество может быть заметно больше.

Само собой, это сложно совместить с гипотезой «сухой возгонки» как средства получения лунного материала из земного, выбитого Тейей. Вода при нагреве быстро и легко испаряется, а типичная скорость ее молекулы так велика, что обломки просто не могут удержать ее своей гравитацией.

Поступили возражения и от исследователей Земли. Удар нужной для образования Луны силы однозначно должен был не только испарить океаны, но и на какое-то время устроить на Земле лавовые моря: расплавить верхние слои планеты. Однако геологи однозначно утверждают, что никаких следов лавовых морей на нашей планете нет — не то что глобального лавового океана, но даже локальных.

Чтобы объяснить образование Луны после удара по ней другой планеты, привлекли высокоэкзотическую модель, по которой после столкновения земные и лунные породы подверглись сходному сильнейшему нагреву. Но как в таком случае и там, и там уцелели легкие элементы? / ©Hagai Perets;

Чтобы закрыть вопрос лунной воды, была предложена идея, что она туда принесена кометами из внешних областей Солнечной системы. Правда, получается, что кометы должны были лететь к Луне конвейером: по расчетам российских ученых, не менее 95% материала при ударе кометы по нашему спутнику должно выбрасываться обратно в космос.

Выходит, кометы принесли земному спутнику триллионы тонн воды как минимум — очень странный результат, с учетом того, что гравитация близкой Земли должна перехватывать большинство комет, идущих через этот район системы.

А была ли Тейя?

В 2007 году появилось и первое альтернативное объяснение проблем мегаимпактной гипотезы. Николай Горькавый опубликовал статью «Образование Луны и двойных астероидов», где показал, что возможен совсем другой механизм рождения нашего спутника.

Он назвал свою модель «мультиимпактной» и предположил, что она может быть типичным механизмом образования крупных спутников — не только земной Луны, но и Харона у Плутона, и даже двойных астероидов.

Суть мультиимпактной модели — в предположении, что земной спутник построен не одним гигантским столкновением, а множеством более мелких. Достаточно крупный астероид, падающий на Землю, определенно выбивает из нее обломки.

Но поскольку энергия столкновения при этом мала, то никаких лавовых морей при этом на Земле не образуется. Да и выброшенные обломки полностью не расплавляются: их центральные части могут не достигать даже точки кипения воды.

После попадания на околоземную орбиту такие обломки имели два варианта дальнейшей судьбы. Дело в том, что на раннем этапе истории нашей планеты вокруг нее должен был вращаться маломассивный протоспутниковый диск, причем в ту же сторону, что и наша планета.

После падения на Землю крупного астероида, те земные обломки, которые выкинуло по направлению вращения планеты, как бы «складывались» с этим диском. А вот те обломки, что вылетали из атмосферы «против шерсти», от столкновения с протоспутниковым диском свою энергию теряли. Объект на орбите, который теряет свою энергию, неизбежно падает — то есть такие обломки вернулись на нашу планету.

А «невозвращенцы» со временем могли серьезно поднять массу протоспутникового диска — до величины в 1% от массы всей Земли или даже выше.

Общая схема образования Луны по мультиимпактному механизму / ©Николай Горькавый

Стоп-стоп, скажет читатель. А как же банальная логика? Если мы выстрелим в космос из электромагнитного ускорителя, тело либо улетит из окрестностей Земли, либо со временем упадет на ее поверхность.

Скажем, именно это случится со всеми искусственными спутниками Земли: со временем они затормозятся о пыль околоземного пространства и все же упадут на планету. Как это вдруг получается, что обломки, получившиеся от столкновения Земли с древними астероидами, «зависли» в небе на 4,5 миллиарда лет, сложившись в Луну?

Здесь и лежит основная заслуга модели мультиимпакта. Действительно, сам по себе обломок Земли не может удержаться на орбите миллиарды лет. Но когда Горькавый рассчитал взаимодействие этого обломка с древним протоспутниковым диском, оказалось, что ситуация радикально меняется.

Древний диск хотя и был маломассивен, но обладал стабильными орбитами своих тел. Когда обломки, выбитые из Земли очередным астероидом и летящие «по шерсти», догоняли любое из тел протоспутникового диска, они сталкивались с ним и отдавали ему часть своей энергии.

В результате формирующаяся Луна из протоспутникового диска не могла упасть на Землю: ее все время слегка «подбрасывали» удары новых обломков. В результате часть «подталкивающих» земных обломков падала на планету, а часть — на прото-Луну, добавляя ей массы. Со временем в этом сценарии Луна должна начать удаляться от планеты, как мы это и наблюдаем на практике.

Тот же мультиимпактный механизм, что образовал Луну, способен создавать другие крупные спутники. Например, Харон, показанный слева в небе над Плутоном на рисунке художника (рисунок не вполне точен в том смысле, что на реальном Плутоне значительно темнее) / ©Wikimrdia Commons

Общее количество астероидов, нужных для образования тела лунных размеров из выбитых из Земли обломков, кажется довольно большим — их могло быть миллионы штук. Причем речь идет о телах диаметром от 10 до 1000 километров.

Сейчас такие количества этих тел по системе не летают, но из большого числа древних кратеров на обратной стороне Луны очевидно, что три-четыре миллиарда лет назад они были. Вывод: формально все сходится.

Двойной астероид (90) Антиопа. Подобные тела тоже могут возникать за счет мультиимпактного механизма: все конкурирующие объяснения не могут объяснить особенности их небесной механики / ©Wikimrdia Commons

У гипотезы Горькавого были и недостатки: она не очень популярна в США в силу того что, как и везде, национальные научные школы больше тяготеют к «доморощенным» научным теориям, чем к идеям из-за рубежа.

Кроме того, автор публиковался в русскоязычном научном журнале, что дополнительно осложнило знакомство с его концепцией нерусскоязычными. Поэтому американские исследователи по-прежнему держатся мегаимпактной теории, хотя и признают, что происхождение лунной воды в ней несколько загадочно.

Японские наблюдения: точка в спорах о Луне?

Авторы новой работы в 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.

Снимок южного полюса Луны аппаратом «Кагуя». Кругом очерчен южный приполярный ударный бассейн, пурпурным показаны кратеры, куда никогда не заглядывает солнце / ©Wikimedia Commons

Это довольно много: по расчетам, больше, чем может поставлять на Луну и поток солнечного ветра, и поток микрометеороидов. Кроме того, над базальтовыми областями лунных морей поток ионов углерода больше, чем над реголитом, — а ведь базальт излился из лунной мантии, то есть не может быть богат элементом, которого на Луне изначально не было.

Все это значит, что углерод и другие легкие элементы неизбежно должны были быть на Луне с самого ее возникновения и никак не могут быть списаны на «привнос» с кометами и другими телами из внешних областей Солнечной системы.

В теории это закрывает вопрос. Большое количество углерода на Луне явно говорит, что она не могла быть «сухой» и лишенной легких элементов, как утверждает мегаимпактная гипотеза. Полезны эти данные и с практической точки зрения: скорее всего, в лавовых трубках найдут не только водный, но и сухой лед (твердый СО2).

Как ни странно, в целом ряде случаев это ценный ресурс, из которого можно получить метан — перспективное ракетное топливо, первый ракетный двигатель для которого в 2019 году уже был испытан полетом экспериментального стенда SpaceX.

До сих пор было известно о существовании на Луне лишь водного льда. В теории ее тоже можно разложить на кислород и водород, а последний — неплохое горючее. Увы, на практике его применение вне Земли проблематично: молекулы водорода так малы, что в вакууме даже лучшие баки за несколько месяцев хранения начинают терять его в больших количествах.

Сжиженный метан намного проще удержать в баках: он может храниться там годами. Следовательно, при использовании Луны как «дозаправочной площадки» на пути к Марсу потенциально куда интереснее получать метан из СО2 и продуктов разложения воды, чем добывать лунный водород из местной воды.

Впрочем, пока это дело перспективы. Ближайшие итоги наблюдений «Кагуи» предсказать несложно: сейчас сторонники мегаимпактной теории будут спешно искать какое-то объяснение и модифицировать свою гипотезу, чтобы объяснить, как именно расплавленные при ударе гипотетической Тейи земные породы смогли удержать легкие элементы.

Ученые — люди изобретательные, поэтому мы верим: у них все получится, параметры мегаимпакта опять модифицируют и как-нибудь да подстроятся под вновь найденные факты. Тем не менее в стратегическом смысле их усилия по спасению мегаимпактной теории обречены.

Вероятность такого события, как столкновение двух планет, в огромное количество раз ниже вероятности падения на древнюю Землю миллионов астероидов. Первое событие настолько сложно реализовать, что пока даже разумных оценок его вероятности никто не предоставил. Астероидная бомбардировка — как легко видеть из рельефа той же Луны и других спутников нашей системы — дело более чем обычное. Значит, это закономерный процесс, более соотвествующий бритве Оккама.

Из этого следует, что теория мультиимпактного образования Луны победит, хотя возможно, что случится это только после того, как нынешнее поколение сторонников мегаимпакта выйдет на пенсию.