Луна могла родиться всего за пять часов после гигантского столкновения

Обычно рождение Луны представляют как долгий космический процесс. Молодая Земля сталкивается с протопланетой размером с Марс, удар выбрасывает на орбиту огромное количество раскаленного вещества, вокруг нашей планеты возникает диск обломков, а уже из него постепенно собирается спутник. Новое компьютерное моделирование предлагает гораздо более драматичный сценарий: после катастрофического столкновения практически целая Луна могла появиться всего примерно за пять часов.

Речь идет о знаменитой гипотезе гигантского столкновения. Согласно ей, около 4,5 миллиарда лет назад в молодую Землю врезалось крупное небесное тело, которое принято называть Теей. Удар был настолько мощным, что навсегда изменил обе планеты, а часть выброшенного вещества в конечном итоге сформировала Луну.

Эта идея существует десятилетиями и хорошо объясняет многие особенности системы Земля — Луна. Однако компьютерные модели такого события неизбежно упрощают реальность. В частности, долгое время считалось, что при столкновении планет столь огромного масштаба механической прочностью горных пород можно практически пренебречь. Энергия удара настолько велика, что сталкивающиеся тела моделировали почти как гигантские массы текучего вещества.

Исследователи из Юго-западного исследовательского института и Университета Аризоны решили проверить это предположение. В новые модели они включили геологическую прочность вещества и, что особенно важно, ее зависимость от температуры.

На первый взгляд это может показаться небольшой технической поправкой. Но результат изменился радикально.

Горячая порода механически слабее холодной. Поэтому одинаковое по скорости, углу и массе столкновение способно развиваться совершенно по-разному в зависимости от того, насколько горячими были молодая Земля и Тея перед катастрофой. Если тела были сильно разогреты, столкновение легче разрушало их внешние области, выбрасывая огромное количество вещества на орбиту. Возникал привычный протолунный диск, из которого позднее должен был сформироваться спутник.

Но когда исследователи сделали сталкивающиеся тела более холодными и, следовательно, механически прочными, произошло нечто иное. Вместо полного превращения вещества Теи в облако обломков крупная масса смогла пережить столкновение и оказаться на орбите Земли.

В одной из симуляций примерно через пять часов после удара вокруг нашей планеты уже существовало практически целое спутникоподобное тело.

Пять часов — по геологическим меркам почти мгновение. Для сравнения: возраст Луны измеряется миллиардами лет, горные системы формируются миллионы лет, даже многие последствия крупных астероидных ударов развиваются значительно дольше. А здесь компьютерная модель показывает возможность буквально наблюдать рождение спутника в течение одного земного дня.

Однако особенно интересно не само число часов, а причина такого результата. Оказывается, состояние планет до столкновения могло определять дальнейшую судьбу выброшенного вещества. И это дает ученым потенциальный способ связать происхождение Луны со временем, когда произошла катастрофа.

Молодые планеты постепенно меняют свое тепловое состояние. Они нагреваются при аккреции вещества, крупных столкновениях и распаде радиоактивных элементов, а затем теряют тепло. Поэтому температура Земли и Теи непосредственно перед ударом зависела от их предыдущей истории и от того, на каком этапе формирования Солнечной системы произошла встреча.

Если будущие исследования Луны позволят определить, каким был механизм ее рождения, это потенциально поможет установить и условия гигантского столкновения. Получается своеобразная обратная задача: современный спутник может хранить информацию о температуре двух планет в момент катастрофы 4,5 миллиарда лет назад.

Особенно ценными здесь могут оказаться летучие вещества — компоненты, которые сравнительно легко испаряются при сильном нагревании. Если Луна долго собиралась из чрезвычайно горячего диска, ее вещество должно было пройти одну историю нагрева и перемешивания. Если же крупный спутник возник практически сразу из сохранившегося материала, химические последствия могли быть другими.

Но остается одна из главных загадок происхождения Луны. Земля и ее спутник удивительно похожи по изотопному составу некоторых элементов. Если значительная часть Луны произошла от отдельной протопланеты Теи, почему химический «почерк» двух тел оказался настолько близким?

Один из вариантов заключается в том, что Земля и Тея изначально сформировались в близких областях протопланетного диска и поэтому имели похожий состав. Исследователи образно сравнивают Землю и Марс с братьями и сестрами, тогда как Земля и Луна больше напоминают близнецов. Однако окончательного ответа пока нет.

Новая модель важна еще и потому, что показывает, насколько чувствительными могут быть наши реконструкции прошлого к физическим предположениям. Десятилетиями отсутствие прочности материала в расчетах казалось вполне разумным упрощением. Для столкновения планет размером с Землю это свойство считалось почти несущественным. Стоило вернуть его в модель вместе с температурной зависимостью — и появилась совершенно другая версия рождения Луны.

Разумеется, компьютерная симуляция не является видеозаписью прошлого. Исследователи не доказали, что Луна действительно сформировалась за пять часов. Моделирование показывает, что такой сценарий физически возможен при определенных начальных условиях. Теперь его предстоит сопоставить с геохимией лунных пород, динамикой системы Земля — Луна и другими ограничениями.

Возможно, именно образцы лунного грунта помогут выбрать между сценариями. Чем точнее ученые определят возраст, химический состав и историю нагревания вещества Луны, тем жестче станут требования к моделям гигантского столкновения.

Но уже сейчас результат заставляет иначе представить один из важнейших моментов истории нашей планеты. Молодая Земля переживает чудовищный удар, часть другого мира оказывается выброшена на орбиту — и спустя всего несколько часов рядом с ней уже может существовать крупное тело, которому предстоит сопровождать нашу планету следующие 4,5 миллиарда лет.

Если этот сценарий близок к действительности, рождение Луны было не медленным собиранием небесного тела из космических обломков, а одним из самых стремительных актов планетарного созидания, о которых мы знаем.