Прошло уже полвека после того, как лунный модуль «Аполлона-17» НАСА взлетел с северо-восточного квадранта видимой стороны Луны, а планетологи всё ещё до конца не разобрались в том, когда и как образовалась наша Луна.
Они сходятся во мнении, что в этом процессе участвовал крупный ударный объект — получивший от учёных название Тея, — который, вероятно, столкнулся с Землёй около 4,51 миллиарда лет назад. Однако оценки размеров Теи сейчас варьируются от объекта размером с Меркурий до объекта, который был примерно вдвое меньше современной Земли. Последние гидродинамические модели указывают на то, что более крупный ударный объект даёт наиболее правдоподобное объяснение тому, почему лунные породы, привезённые «Аполлоном», кажутся настолько химически сходными с тем, что мы находим в богатых оливином вулканических базальтах здесь, на Земле.
«Земля сильно пострадала от этого гигантского столкновения; оно фактически перезапустило историю нашей планеты», — рассказал Вим ван Вестренен, селенолог и планетолог из Амстердамского свободного университета, во время недавнего интервью в его кабинете.
Во время катастрофического столкновения первичная Луна представляла собой лишь светящийся шар магмы с температурой в тысячи градусов.
«Это ещё даже не порода, поэтому она должна остыть, прежде чем в ней смогут образоваться минералы, возраст которых мы пытались определить», — объясняет ван Вестренен. По его словам, главный вопрос заключается в том, сколько времени потребовалось после удара для образования этих минералов. Точно определить это очень сложно.
Тем не менее, учёные по-прежнему извлекают много полезной информации из образцов пород, привезённых миссиями «Аполлон». Порода «Генезис» — возрастом 4,46 миллиарда лет, добытая в 1971 году астронавтами «Аполлона-15», — является одним из самых известных образцов. Она состоит почти исключительно из белого минерала плагиоклаза, который имеет тенденцию всплывать на поверхность магмы из-за своей лёгкости.
«Чтобы образовалось много этого белого вещества, требуется огромное количество магмы, и всё это должно было затем подняться наверх, потому что сейчас оно находится на поверхности», — говорит ван Вестренен. По его словам, это лучшее объяснение образования этих белых пород, в том числе и камня «Генезис».
Белый цвет плагиоклаза, который виден при взгляде на Луну, обусловлен отражением света от кристаллов плагиоклаза.
Тот факт, что у нас есть целое небесное тело, покрытое плагиоклазами, позволяет предположить, что мы на самом деле смотрим на поверхность древнего, огромного магматического океана, говорит ван Вестренен.
Лаборатория ван Вестренена специализируется на создании высоких давлений и экстремально высоких температур для анализа и воссоздания условий внутри Луны в надежде узнать больше о её геологической эволюции.
«Наша группа впервые провела полное экспериментальное исследование того, что происходит при затвердевании глубокого магматического океана на Луне и на каком этапе образуются какие минералы», — говорит ван Вестренен. «Мы полагаем, что вся Луна фактически состояла из расплавленной магмы — 1700 километров магмы вплоть до самого центра», — добавляет он.
В лаборатории ван Вестренен и его коллеги используют резистивный нагрев, пропуская электрический ток через графит, чтобы нагреть несколько кубических миллиметров материала до температур более 1700 °C. Это примерно в пять раз горячее, чем в обычной духовке. Лаборатория также может создавать давление до 250 000 земных атмосфер.
Для сравнения: считается, что максимальное внутреннее давление на Луне составляет около 50 000 земных атмосфер. Установка позволяет исследователям как бы путешествовать в центр Луны в лабораторных условиях.
Тем не менее, одна из ключевых проблем в понимании формирования системы Земля — Луна заключается в том, что, хотя гидродинамические численные модели хорошо воспроизводят физические свойства современной системы, они не могут точно воспроизвести известный химический состав этих тел.
«Все классические модели предсказывают, что Луна должна иметь химический состав, сильно отличающийся от того, что мы наблюдаем», — говорит ван Вестренен. По его словам, лунные породы гораздо больше похожи на земные, чем должны быть.
А что насчёт размера небесного тела, столкнувшегося с Землёй и приведшего к образованию Луны?
Согласно современной парадигме, есть два варианта. В обоих случаях Луна образовалась в результате столкновения с телом размером с Меркурий, которое врезалось в нашу планету на большой скорости и под большим углом. Только в одном варианте к этому моменту Земля уже почти сформировалась, а в другом Земля была сформирована лишь наполовину.
Таким образом, для того чтобы Земля достигла своих нынешних размеров, ей пришлось бы столкнуться с ещё одной «половиной Земли», говорит ван Вестренен. Тогда Луна образовалась бы из небольшого количества полностью смешанных обломков Теи и половины Земли, оставшихся на орбите вокруг уже полностью сформировавшейся Земли.
Считается, что после столкновения более лёгкий силикатный материал сформировал Луну, а более плотный материал сформировал Землю и опустился вниз, образовав большое железосодержащее ядро нашей планеты.
Это по-прежнему верно, но те же самые классические 25-летние модели предсказывают, что большая часть силикатных пород происходит от Теи, а не с Земли, говорит ван Вестренен.
По какой причине Луна в основном состоит из земного материала?
Чтобы сформировать Луну в результате классического гигантского столкновения, Тея должна была ударить по Земле под углом так, что половина Теи пролетела мимо Земли, говорит ван Вестренен. Одна половина врезалась в бок Земли, а другая половина прошла мимо и затем вышла на орбиту вокруг прото-Земли, сформировав Луну.
Но в таком случае Луна должна была бы состоять в основном из пород, принесённых ударным телом — Теей. Однако геологи наблюдают иное. Тея, по-видимому, должна была происходить из другой части Солнечной системы; следовательно, её химический состав отличался бы от состава Земли. Тем не менее, Земля и Луна по-прежнему удивительно похожи по химическому составу.
Как образовалась Луна, до сих пор не до конца ясно, хотя люди ходили по её поверхности всего несколько десятилетий назад, говорит ван Вестренен. Каждый человек может увидеть Луну, но не все осознают, что её образование напрямую связано с историей нашей собственной планеты.