Космический бильярд: как гигантский удар сформировал Землю и Луну

Сразу после формирования Земли молодая планета оказалась втянута в космическое противостояние, которое определило её облик на миллиарды лет вперёд. В Землю врезался гигантский объект, сопоставимый по размеру с Марсом.

Это тело, получившее название Тейя, было разрушено, а его обломки вместе с частями земной коры и мантии отправились в пространство, формируя Луну. Эта картина — красивая и драматичная теория гигантского столкновения — давно считается наиболее убедительным объяснением происхождения спутника Земли. Однако у неё оставалось одно существенное слабое место: никто не мог точно сказать, откуда взялась Тейя.

Новое исследование проливает свет на этот вопрос. Изучив химический состав земных пород, лунных образцов и некоторых метеоритов, учёные обнаружили следы, которые указывают на общее происхождение Земли и Тейи.

Это объясняет, почему химический состав лунного материала настолько похож на земной: оба небесных тела возникли из одинаковых строительных блоков ранней Солнечной системы.

Как формировались Земля и Тейя

Период зарождения планет был похож на гигантскую космическую игру в бильярд. Молодые протопланеты постоянно сталкивались и объединялись, а крупные удары происходили часто. Земля избежала большинства подобных катастроф, но в конце формирования всё же получила удар, последствия которого мы наблюдаем и сегодня — Луну.

Компьютерные модели десятилетиями показывали, что подобные столкновения должны были производить лунный материал преимущественно из вещества Тейи. Но реальность оказалась иной: лунные породы чрезвычайно похожи на земные, особенно на мантию Земли. Это несоответствие долгое время ставило под вопрос классическую модель гигантского удара.

Для того чтобы окончательно понять, кто был "родителем" Луны, учёным пришлось искать почти неразличимые химические следы — изотопные подписи железа.

Почему учёные выбрали железо

Железо — ключевой элемент для понимания истории Земли и её спутника. Когда Земля формировалась, почти всё железо должно было опуститься в ядро — более тяжёлый слой. Однако современная мантия содержит заметное количество железа, и его происхождение вызывает вопросы: как оно могло остаться в верхних слоях, если по всем законам физики обязано было "утонуть"?

Ответ напрашивается сам собой: железо попало в мантию позже, уже после формирования ядра. И наиболее вероятный источник — Тейя.

Исследователи сравнили изотопный состав железа:

• в земной мантии,
• в лунных образцах,
• в метеоритах ранней Солнечной системы.

И обнаружили: состав практически идентичен. Это означает, что Земля и Тейя были сформированы в одном и том же регионе протопланетного диска — там, где находился тёплый внутренний пояс Солнечной системы.

Где могла образоваться Тейя

Сравнение состава железа показало: химический профиль Тейи совпадает с профилем так называемых неуглеродистых хондритов — пород, возникших вблизи молодого Солнца. Это указывает на то, что Тейя появилась в том же секторе, что и Земля.

При этом Земля содержит удивительно много вещества, которое образуется при звёздных ядерных реакциях. Такие изотопы должны были бы отсутствовать, если бы Земля формировалась строго там, где сейчас находится орбита. Однако наличие "звёздной приправы" говорит о том, что Земля получила её извне — вернее, через Тейю, которая могла возникнуть даже ближе к Солнцу.

Научные вопросы, которые остаются открытыми

Несмотря на значительный прогресс, исследователи признают, что некоторые тайны останутся нерешёнными:

• Тейя полностью разрушилась — прямых образцов её вещества больше не существует;
• компьютерные модели всё ещё не идеальны: разные параметры дают разные сценарии столкновения;
• неясно, сколько времени длилось смешивание вещества Тейи и Земли после удара;
• в недрах Земли есть два огромных аномально плотных образования — возможно, это "останки" Тейи, но доказательств пока нет;

Эти вопросы остаются в центре современных исследований.

Как исследование помогает понять историю Земли и Луны

Новые данные проливают свет на:

• происхождение Луны — подтверждается гигантский удар;
• состав ранней мантии Земли — многое из тяжёлого материала пришло извне;
• геохимию внутренней Солнечной системы - теперь понятнее, где формировались планеты.

Один из важнейших выводов: Луна не просто "дитя Земли". Она — смесь Земли и Тейи, двух сестёр, возникших из одной области космического пылевого облака.

А что если… столкновение было иным

Учёные рассматривают несколько альтернативных сценариев:

1. Большая скорость удара: Тейя могла врезаться настолько быстро, что практически испарилась.

2. Тейя была меньшего размера: тогда лунный материал мог образоваться измельчённым веществом Земли.

3. Земля вращалась быстрее: что изменило бы распределение вещества.

4. Было два удара, а не один: это объясняет смешение изотопов.

Все эти гипотезы пока обсуждаются, но новая работа укрепляет классическую теорию одного гигантского столкновения.

Мифы и правда о происхождении Луны

Миф: Луна — бывший спутник другой планеты

Правда: Изотопы показывают, что она родом из той же области, что и Земля.

Миф: Луна образовалась из пыли рядом с Землёй

Правда: Модель аккреции не объясняет идентичность изотопов и момент формирования ядра Земли.

Миф: Луну создали две протопланеты, которых больше нет

Правда: Одна из них — Тейя — доказуемо существовала; следы её состава сохранились.

FAQ

Как давно произошло столкновение?

Около 4,5 миллиарда лет назад — почти сразу после формирования Земли.

Почему Луна не имеет собственного сильного магнитного поля?

Её ядро маленькое, а охлаждение произошло быстрее, чем у Земли.

Можно ли найти фрагменты Тейи?

Точно — нет. Однако некоторые глубокие структуры мантии могут быть её остатками.

Почему Луна химически так похожа на Землю?

Потому что обе образовались из идентичного материала — и Тейя тоже.

3 факта о гигантском ударе

1. Удар дал Земле ось наклона — без него у нас не было бы смены времён года.

2. Столкновение увеличило скорость вращения Земли — сутки тогда длились около 4 часов.

3. Формирование Луны стабилизировало планету, уменьшив климатические колебания.