Астрономы давно ломают голову над происхождением Луны. Рождение Селены приписывают грандиозной космической катастрофе, но даже эта гипотеза объясняет не все известные про спутник факты.
На этой иллюстрации отражено столкновение Земли с меньшей планетой, в результате которого образовалась Луна
- Источник:
DANA BERRY / SOUTHWEST RESEARCH INSTITUTE
Давайте мысленно забудем, что есть Земля и Луна и посмотрим, как выглядит Солнечная система без них. Картина получается очень стройной и логичной. Все планеты-гиганты имеют внушительную свиту: у Сатурна 146 лун, у Юпитера их — 95 (причем у обеих планет регулярно открывают все новые спутники), у Урана и Нептуна известно 27 и 14 спутников, соответственно. Но эти цифры наверняка не полны: крайние планеты Солнечной системы мало исследованы.
Похожие на Землю скалистые миры, напротив, обделены лунами: у Меркурия и Венеры их нет вообще, а у Марса — два крошечных спутника.
Объяснить такую картину очень просто. Классическая теория говорит, что спутники формируются вместе с планетой из того же газопылевого облака. Центральное тело становится планетой, а сгустки на окраинах — ее спутниками. Но этот механизм хорошо работает, только когда исходное облако вещества достаточно велико. Чем больше материи, тем сильнее гравитация, собирающая ее в комки. Раз уж хватило материала на крупные спутники, то и планета должна получиться внушительной — если не Юпитер, то хотя бы Уран, но уж никак не маленькая Земля.
Поэтому и встает вопрос, как же в эту замечательную схему с пропорциональными по размерам планетами и спутниками вписать историю с нашей Землей и громадной Луной.
Диаметр Селены почти 3500 км. По этому параметру наш спутник больше Плутона, еще недавно считавшегося планетой, и всего в 1,4 раза меньше Меркурия. Луна замыкает пятерку крупнейших спутников в Солнечной системе. Больше земного только Ганимед (спутник Юпитера), Титан (спутник Сатурна), Каллисто и Ио (тоже спутники Юпитера).
Почему же у нашей скромной планеты оказался пятый по величине спутник? Откуда он взялся?
Оторвавшаяся от Земли
Астроном и математик Джордж Дарвин (1845-1912) был сыном знаменитого биолога
- Источник:
J. Russell & Sons
В 1878 году астроном и математик Джордж Дарвин, сын знаменитого биолога, предложил свою теорию образования Луны. По его мнению, некогда Земля вращалась вокруг своей оси так быстро, что от нее отрывались куски. Из этого потерянного вещества и сформировалась Луна. Дарвин, как и многие в его время, считал новорожденную Землю расплавленной. Это добавляло веса его теории: жидкие тела не слишком прочны.
Что не так с этой теорией? Теперь мы знаем то, что не было известно Дарвину: наша планета всегда была твердой. Чтобы потерять массу, достаточную для образования Луны, Земля должна была делать один оборот вокруг своей оси примерно за час. Но такое вращение невозможно: у системы Земля–Луна не хватает момента импульса.
Что такое момент импульса, удобно пояснять на примере фигуриста, делающего тулуп. Сначала спортсмен медленно поворачивается вокруг своей оси с раскинутыми руками. Подпрыгнув, почти прижимает руки к туловищу и сразу же начинает вращаться очень быстро. Так и действует закон сохранения момента импульса. В самой приблизительной формулировке он гласит: если вращающаяся система сжимается, становится компактнее (фигурист подбирает руки), она начинает вращаться быстрее. Если система, наоборот, расширяется (спортсмен раскидывает руки), то начинает вращаться медленнее.
Отрисовка теории «расплавленной» Земли Дарвина: «сначала — сфера; потом — форма яйца; затем грушевидная форма; вот „стебель“ отламывается; и образуется Луна»
- Источник:
Иллюстрация: T.E.R. PHILLIPS & W.H. STEAVENSON
Представим себе, что наша планета — это фигурист, а Луна — его ладонь. Правда, их связывает не плоть, а силы тяготения. Мы знаем, где сегодня находится Луна, и с какой скоростью вращается Земля. По закону сохранения легко рассчитать, как быстро планета вращалась бы вокруг своей оси, если бы Селена находилась прямо на ее поверхности. Да, быстро, но все равно медленнее одного оборота в час.
Залетная гостья
Может быть, Луна — это астероид, пролетавший мимо Земли и захваченный ее притяжением? Такая гипотеза тоже высказывалась, но от нее пришлось отказаться после анализа лунного грунта.
Каждый химический элемент имеет несколько разновидностей — изотопов. Например, у кислорода их три: кислород-16, кислород-17 и кислород-18 (эти числа означают суммарное количество протонов и нейтронов в ядре атома). На Земле на каждые десять тысяч атомов кислорода приходится 9976 атомов кислорода-16, 20 атомов кислорода-18 и всего четыре атома кислорода-17.
На других планетах Солнечной системы, в метеоритах и астероидах эти пропорции иные. Так вот на Луне соотношение изотопов кислорода и многих других элементов почти такое же, как на Земле! Это значит, что она никак не может быть прилетевшим издалека астероидом.
Гипотезу, что Селена — астероид, опровергли исследования грунта, доставленного на Землю первыми лунными миссиями
- Источник:
SHUTTERSTOCK / FOTODOM
Анализ лунного грунта выявил еще одну интересную вещь — Селена очень бедна летучими элементами. Так называются элементы, самые распространенные соединения которых — газы и жидкости. К летучим элементам относятся, например, водород, углерод, азот, сера. Земля богаче летучими элементами, чем Луна, но все равно довольно бедна по сравнению с материалом, из которого наша планета образовалась. Образцы этого материала нам предоставляют хондриты — самая распространенная разновидность метеоритов.
Хондриты — это строительный мусор, оставшийся после формирования планет. Они никогда не были частью сколько-нибудь крупных тел и поэтому сохранили свой состав почти первозданным. Земные породы в десятки раз беднее углеродом, чем самые примитивные хондриты, и примерно в сто раз беднее водой. А лунные образцы еще беднее тем и другим.
О чем это может говорить? О том, что материал, из которого состоит Земля и особенно Луна, некогда хорошо прогрелся. Так хорошо, что большая часть летучих веществ испарилась.
Рожденная катастрофой
В 1970-е годы была предложена теория, объяснявшая странный состав лунных пород. Она называется теорией гигантского удара и повествует о катастрофе, разразившейся свыше четырех миллиардов лет назад, когда формирование Земли едва завершилось.
Изначально на Земле было гораздо больше летучих элементов, чем теперь — более чем в сто раз. Нашу новорожденную планету окутывала плотная атмосфера, состоящая в основном из водяного пара. А ее поверхность была сплошь покрыта водами океана.
И вот в Землю врезалась другая планета (ученые назвали ее Тейя). Удар пришелся по касательной, но все же был очень силен — как-никак по массе Тейя была похожа на современный Марс. Атмосфера улетучилась, океаны испарились. Вся поверхность Земли стала морем магмы. Тейя превратилась в облако газов, капель жидкого расплава и раскаленных обломков. К этому облаку примешивалась некоторая доля земного вещества, выброшенного в космос силой удара. Большая часть этого облака со временем выпала на Землю. В первые 5 млн лет после столкновения на нашу многострадальную планету падало множество обломков диаметром до 150 км. Едва начавшая остывать поверхность вновь нагревалась этой бомбардировкой. В конце концов, атмосфера и гидросфера восстановились, но далеко не в первозданном масштабе.
Конечно, не вся раскаленная материя выпала из космоса на Землю. Самые летучие вещества рассеялись в вакууме. А из того, что осталось, образовалась Луна. Новорожденная Селена находилась в 16 раз ближе к Земле, чем сегодня, и занимала на земном небе в 250 раз большую площадь. Должно быть, это было величественное зрелище — громадная Луна, сияющая над океаном магмы.
Близость Луны означала, что Земля быстрее вращалась вокруг своей оси (вспомним о сохранении момента импульса). Сутки тогда длились всего пять часов! Но Луна отодвигается от Земли со скоростью несколько сантиметров в год. По мере отдаления спутника сутки становятся все длиннее. Этот процесс, к слову, продолжается и сегодня.
8 достопримечательностей Луны
Самая высокая точка Луны не имеет официального названия. Она находится на обратной стороне Селены на краю кратера Энгельгардт. Высота над средним уровнем лунной поверхности — 10 786 метров, что почти на 2 км больше, чем высота Эвереста над уровнем моря. Однако изза очень пологих склонов это место даже не считается горой.
Самая высокая гора на Луне, считая от подножия, — пик Гюйгенса. Он возвышается над Морем Дождей на 5500 м. Это практически высота Эльбруса над уровнем моря, а если считать от подножия, Эльбрус значительно ниже.
Самый большой кратер на Луне — Бассейн Южный полюс — Эйткен. По площади (3,8 млн км2) он больше Индии или Якутии. Максимальная глубина бассейна превышает 8 км. Перепад высот с валом кратера — 12 км, что больше глубины Марианской впадины.
Самое большое море на Луне — Океан Бурь. Это единственное лунное море, которое называется океаном. По площади (4 млн км2) он почти вдвое больше Средиземного моря (2,5 млн км2). Лунные моря — это впадины, покрытые древней вулканической лавой. В них, разумеется, нет воды.
Самое жаркое место на Луне — ее экватор. Отсутствие атмосферы и невероятно долгие сутки (более 29 земных) делают экваториальный день очень жарким. Поверхность Луны в подсолнечной точке прогревается до +130 °С. Впрочем, за ночь она остывает до -170 °С.
Самое холодное место на Луне — кратеры вечной тени. Это глубокие приполярные кратеры с крутыми склонами. Солнечные лучи никогда не достигают их дна. В результате температура там никогда не поднимается выше -200 °C. В таких кратерах может сохраняться вечный лед.
Самый древний лунный грунт имеет возраст более 4 млрд лет. Таков возраст некоторых образцов, доставленных «Аполлонами». Считается, что Земля образовалась 4,6 млрд лет назад, а Луна — на 30–200 млн. лет позже.
Самый молодой лунный грунт, возможно, имеет возраст 1,2 млрд лет. Эта оценка не точна: она основана на подсчете метеоритных кратеров, образовавшихся поверх базальтовых лав. Возраст образцов, доставленных на Землю, можно определить точнее. Самым молодым из них около 2 млрд лет. Недра Луны давно остыли, и извержения прекратились.
Отзвуки удара
Теория гигантского удара объясняет не только состав лунного грунта, но и другие факты. Какие вещества в первую очередь выпадали на Землю из раскаленного облака? Очевидно, самые тяжелые, например, железо и никель. Таким образом, почти все тейянское железо должно было оказаться на Земле. Под действием силы тяжести оно стремилось к центру планеты, выдавливая к поверхности более легкие вещества. У Земли действительно огромное железное ядро. На него приходится около 30% массы планеты — это больше, чем у Венеры, Марса или Меркурия. А вот ядро Луны совсем маленькое: всего 1–3% от ее массы. Что и неудивительно, если почти все тейянское железо выпало на Землю.
Еще одна особенность нашей планеты — большой наклон оси. Земная ось не перпендикулярна плоскости орбиты. Она отклонена от перпендикуляра на 22–24,5 градуса (точное значение циклически меняется со временем). Цифры хоть и не рекордные, но довольно большие, и они требуют объяснения. Теория гигантского удара дает простой ответ: планета «покосилась» после удара Тейи.
Наконец, сутки и в самом деле постепенно удлиняются. Количество часов в сутках легко вычислить, если знать число суток в году. Ведь продолжительность года в часах практически не меняется. Осадочные породы ритмиты не зря так называются: они запечатлевают суточный, месячный и годичный цикл приливов и отливов. Судя по древним ритмитам, 900 млн лет назад сутки продолжались 19 часов.
Есть еще кораллы, имеющие годовые и суточные кольца. Если верить девонским кораллам, 400 млн лет назад продолжительность суток была примерно 22 часа.
Все эти находки подтверждают, что в прошлом Луна была ближе к Земле, хотя и не свидетельствуют прямо о том, как она образовалась.
Трудности и вопросы
Так что же, теория гигантского удара закрывает вопрос о происхождении Луны? Нет. У нее есть слабые места. Мы начали с того, что Земля и Селена похожи по изотопному составу. Это означает, что земное и тейянское вещество должны были так перемешаться в облаке, что нам трудно отделить одно от другого. Или что Тейя и Земля изначально образовались очень близко друг к другу и потому имели почти одинаковый состав. Оба варианта не очень хорошо согласуются с расчетами.
К орбите Луны тоже есть вопросы. В классической модели угол между орбитами Луны и Земли должен быть не более 1°. В реальности он составляет около 5°
- Источник:
журнал «Вокруг света»
Еще одна странность: Луна в 5–10 раз беднее калием и натрием, чем Земля. Меди и цинка тоже недостает. Эти элементы не летучие, и теория гигантского удара не объясняет их дефицит.
Не все гладко и с массой спутника. В классической модели на орбиту выбрасывается более чем достаточно материала для образования Луны. Но эта модель очень упрощенная. В 2010-х гг. ученые попытались учесть вязкость вещества и другие эффекты, которыми ранее пренебрегали. Эти модели давали спутник меньшей массы, чем Луна. К орбите Луны тоже есть вопросы. В классической модели угол между орбитами Луны и Земли должен быть не более 1°. В реальности он составляет около 5°.
Нельзя сказать, что все это ставит крест на теории гигантского удара. Астрономы пытаются исправить ее недостатки, предлагая версии. В истории науки много примеров того, как между появлением правильной основной идеи и устранением всех шероховатостей проходят десятилетия. Теория столкновения с Тейей — это лучшая теория происхождения Луны, которая у нас есть на данный момент. Но это не истина в последней инстанции.
Иллюстрации: DANA BERRY / SOUTHWEST RESEARCH INSTITUTE; T.E.R. PHILLIPS & W.H. STEAVENSON; SHUTTERSTOCK / FOTODOM
Фото: J. RUSSELL & SONS; GSFC, ARIZONA STATE UNIVERSITY, LRO, SCIENTIFIC VISUALIZATION STUDIO, ILLINOIS STATE MUSEUM / NASA
Материал опубликован в журнале «Вокруг света» № 9, ноябрь 2023
