13 грудня 1972 року астронавт «Аполлона-17» Гаріссон Шмітт підійшов до валуна в море Спокою на Місяці. «У цього валуна є своя маленька доріжка, яка веде прямо до пагорба», повідомив він своєму командиру Юджину Сернаном, зазначивши, де був валун перед тим, як скотитися вниз по схилу. Сернан взяв кілька проб.
«Уяви, що було б, якби ти стояв там до того, як скотився цей валун», задумливо сказав Сернан. «Мабуть, краще не буду», відповів Шмітт.
Той камінь і його брати-валуни повинні були розповісти історію про те, як з'явилася наша місяць. У цій історії створення, записаної в незліченних підручниках і науково-музейних експонатах за останні сорок років, Місяць була виплавлено з катастрофічного зіткнення між зародкової Землею і твердим світом розміром з Марс. Інший світ називався Тейя, в честь грецької богині, яка дала життя Селені, місяці. Тейя так сильно врізалася в Землю, що обидва світи розплавилися. Викинуті Тейєю потоки розплавленого матеріалу потім охололи і затверділи, сформувавши сріблястого компаньйона, якого ми всі добре знаємо.
Але сучасні виміри троктоліта 76536 та інших порід з Місяця і Марса під сумнів цю теорію. За останні п'ять років безліч досліджень виявили проблему: канонічна гіпотеза гігантського зіткнення заснована на припущеннях, які не відповідають доказам. Якщо Тейя вдарила Землю, а пізніше сформувала Місяць, Місяць повинна складатися з матеріалу Тейи. Але Місяць не схожа на Тейю - або на Марс, якщо вже на те пішло. До самих атомів вона виглядає майже так само, як Земля.
Зіткнувшись з цією невідповідністю, місячні дослідники шукали нові ідеї, щоб зрозуміти, як з'явилася місяць. Найочевиднішим рішенням може бути найпростіше, але воно породжує інші проблеми з розумінням юної Сонячної системи: можливо, Тейя сформувала Місяць, але при цьому Тейя також складалася з речовини, яке практично ідентично земного. Інший варіант - процес зіткнення змішав все, гомогенізіруя окремі шматочки і рідини в пирозі, який потім розрізали на порції. В такому випадку зіткнення повинно було бути надзвичайно потужним, або їх повинно було бути кілька. Третє пояснення ставить під сумнів наше розуміння планет. Може бути так, що Земля і Місяць, які у нас є сьогодні, пройшли через дивні метаморфози і дикі орбітальні танці, які радикально змінили їх обертання і майбутнє.
Погані новини для Тейи
Щоб зрозуміти, що могло статися в найважливіший для Землі день, потрібно почати з розуміння юності Сонячної системи. Чотири з половиною мільярди років тому Сонце було оточене гарячим хмарою уламків в формі пончика. Зоряні елементи оберталися навколо нашого новонародженого сонця, остигаючи і - впродовж багатьох років - зливаючись воєдино в процесі, який ми до кінця не розуміємо. Спершу в згустки, потім в планетезимали, потім в планети. Ці тверді тіла жорстко і часто стикалися, випаровувалися і з'являлися заново. Саме в цьому неймовірно жорсткому зоряному більярді були викувані Земля і Місяць.
Щоб отримати таку Місяць, яка у нас є сьогодні, з її розміром, обертанням і швидкістю, з якою вона відходить від Землі, наші кращі комп'ютерні моделі говорять, що з чим би не зіткнулася Земля, це щось повинно бути розміром з Марс. Щось більше або менше вже справило б систему з набагато більшим кутовим моментом, ніж ми спостерігаємо. Снаряд побільше також викинув би занадто багато заліза на орбіту Землі і справив би набагато більш багату залізом Місяць, ніж ми спостерігаємо.
Перші геохімічні дослідження троктоліта 76536 та інших порід підкріпили цю історію. Вони показали, що місячні породи повинні були народитися в місячному океані магми, які могли, в свою чергу, з'явитися внаслідок гігантського зіткнення. Троктоліт плавав в розплавленому море як айсберг в Антарктиді. Виходячи з цих фізичних обмежень, вчені вирішили, що Місяць була зроблена з останків Тейі. Але є проблема.
Повернемося до юної Сонячній системі. У міру того, як тверді світи стикалися і випаровувалися, їх вміст змішувалося, в кінцевому підсумку осідаючи в окремих регіонах. Ближче до Сонця, де було спекотніше, легші елементи були більш схильні нагріватися і тікати, залишаючи надлишок важких ізотопів (варіацій елементів із зайвими нейтронами). Далі від Сонця породи мали можливість утримувати більше води і залишалися більш легкі ізотопи. Тому вчений може досліджувати суміш ізотопів, щоб визначити, в якій частині Сонячної системи вона з'явилася, подібно до того, як акцент видає батьківщину людини.
Ці відмінності так сильно виражені, що їх використовують для класифікації планет і типів метеоритів. Марс так сильно відрізняється від Землі, наприклад, що його метеорити можна ідентифікувати шляхом простого вимірювання співвідношення трьох різних ізотопів кисню.
У 2001 році, використовуючи передові методи мас-спектрометрії, швейцарські вчені знову вивчили троктоліт 76536 та інші місячні зразки. З'ясувалося, що їх ізотопи кисню не відрізняються від тих, що на Землі. Геохімік з тих пір вивчили титан, вольфрам, хром, рубідій, калій і інші не зовсім пересічні метали на Землі - і всі вони виглядали практично однаково.
Це погана новина для Тейи. Якщо Марс так сильно відрізняється від Землі, Тейя - а значить, і Місяць - мають теж відрізнятися. Якщо ж вони однакові, це означає, що місяць повинна була сформуватися з розплавлених шматочків Землі. Породи, зібрані «Аполлоном», виходить, будуть прямо суперечити тому, на чому наполягає фізика.
«Канонічна модель переживає серйозну кризу», говорить Сара Стюарт, планетолог Каліфорнійського університету в Девісі. «Вона ще не вбита остаточно, але її нинішній статус полягає в тому, що вона не працює».
Місяць з пара
Стюарт намагалася переосмислити фізичні обмеження цієї проблеми - необхідність в ударному тілі певного розміру, яке рухається з певною швидкістю, - на тлі нових геохімічних доказів. У 2012 році вона і Матія Жук, нині працює в Інституті SETI, запропонували нову фізичну модель формування Місяця. Вони заявили, що юна Земля була обертовим дервішем, день якого тривав два-три години, коли в неї вдарила Тейя. Зіткнення справило диск навколо Землі - як кільце Сатурна - але той протримався всього 24 години. В кінцевому підсумку диск охолов і затвердів, сформувавши Місяць.
суперкомп'ютери недостатньо потужні, щоб повністю змоделювати цей процес, але вони показали, що снаряд, що врізається в такий стрімко обертається світ, може зрізати достатню кількість Землі, повністю знищити Тейю і зішкребти досить шкурки з обох, щоб створити Місяць і Землю з однаковими ізотопними співвідношеннями. Як гончар на гончарному крузі.
Щоб пояснення з швидко обертається Землею було вірним, однак, повинно бути щось ще, уповільнюючи швидкість обертання планети до нинішнього стану. У своїй роботі 2012 року Стюарт і Чук стверджували, що при певних орбітально-резонансних взаємодіях Земля повинна була передати кутовий момент сонця. Пізніше Джек Уісдом з Массачусетського технологічного інституту запропонував кілька альтернативних сценаріїв по вилученню кутового моменту з системи Земля-Місяць.
Однак жодне з пояснень не було задовільним. Моделі 2012 роки так і не могли пояснити орбіту Місяця або її хімію, говорить Стюарт. І ось, в минулому році, Саймон Лок, випускник Гарвардського університету і студент Стюарта в той час, представив оновлену модель, яка запропонувала які раніше не пропонувалася планетарну структуру.
На його думку, кожен шматочок Землі і Тейі випарувався і сформував роздуте, розпухле хмара у вигляді товстого бублика. Хмара оберталося так швидко, що досягло точки під назвою межа спільного обертання. На цьому зовнішньому краю хмари випарувалася порода кружляла так швидко, що хмара прийняло нову структуру, з товстим диском, що обходять внутрішній регіон. Що важливо, диск ні відділений від центральної області так, як відокремлені кільця Сатурна.
Умови в цій структурі невимовно пекельні; немає ніякої поверхні, замість неї хмари розплавленої породи, причому кожна область хмари утворює краплі дощу з розплавленої породи. Місяця виросла всередині цього пара, говорить Лок, перш ніж пар остаточно охолов і залишив після себе систему Земля - Місяць.
З огляду на незвичайні характеристики структури, Лок і Стюарт порахували, що вона заслуговує нової назви. Вони випробували кілька версій, перш ніж прийти до «сінестіі», в якій використовується грецький префікс «син», що означає «разом», і богиня Гестія, яка представляє будинок, вогнище і архітектуру. Це слово означає «пов'язану структуру», говорить Стюарт.
«Ці тіла не те, що ви думаєте. І виглядають вони не так, як ви думали вони будуть виглядати ».
У травні Лок і Стюарт опублікували роботу про фізику сінестій; їх робота на тему сінестіі місячного походження все ще знаходиться на розгляді. Вони представили її на конференції планетологов і сказали, що їхні колеги були зацікавлені, але навряд чи згодні з ідеєю. Можливо, тому що сінестія залишається просто ідеї; на відміну від окільцьованих планет, яких багато в Сонячній системі, і протопланетарного дисків, яких багато у Всесвіті, ніхто ніколи жодної не бачив.
Але це цікавий спосіб пояснити особливості нашого Місяця, коли наші моделі, схоже, не працюють.
десять місяців
Серед природних супутників Сонячної системи, земна Місяць може бути найдивовижнішим через свого самотності. У Меркурія і Венери природних супутників немає, почасти через їх близькості до сонця, гравітаційний вплив якого робить орбіти супутників нестабільними. У Марса є крихітні Фобос і Деймос, які дехто вважає захопленими астероїдами; інші говорять на користь падінь великих тел на Марс. У газових гігантів є безліч супутників, як твердих, так і м'яких.
На відміну від цих супутників, супутник Землі також виділяється своїми розмірами і фізичним навантаженням, яку несе. Місяць становить менше 1% Землі по масі, а загальна маса супутників зовнішніх планет - менше 1/10 відсотка їх батьків. Що ще більш важливо, на Місяць припадає 80% кутового моменту системи Земля -
Місяць. Іншими словами, Місяць відповідає за 80% руху системи в цілому. Для зовнішніх планет це значення менше 1%.
Можливо, Місяць не завжди тягла всю цю ношу. Особа супутника демонструє свідоцтва важкого бомбардування; чому ж тоді ми повинні думати, що лише один удар виліпив Місяць з Землі? Можливо, Місяць сформувався в процесі безлічі зіткнень, вважає Ралука Руфа, планетолог НДІ Вайцмана в Ізраїлі.
У роботі, опублікованій минулої зими, вона стверджувала, що супутник Землі може бути не споконвічним. Замість цього він став зборами тисяч шматків - щонайменше десяти, виходячи з її розрахунків. Снаряди прилітали під різним кутом і з різною швидкістю на Землю і формували диски, які зливалися в «уламки лун», в кінцевому підсумку зліпив ту Місяць, яку ми знаємо сьогодні.
Палеонтологи відзначили її роботу. Робін Кануп, лунолог Південно-Західного науково-дослідного інституту і фахівець з теорій місячного освіти, каже, що теорія гідна розгляду. Однак необхідні додаткові дослідження. Руфа не впевнена, рухалися ці уламки в одному напрямку, подібно до того, як Місяць постійно дивиться в одному напрямку. Якщо так, то як вони взагалі могли злитися? Це належить з'ясувати.
Тим часом, інші звернулися до іншого пояснення подібності Землі і Місяця, яке могло б мати дуже проста відповідь. Від сінестій до місячних поясів, нові фізичних моделі - і нова фізика - можуть бути спірними. Можливо, Місяць схожа на Землю лише тому, що і Тейя була схожа.
Одне і теж
Місяць - не єдина «земна» штучка в Сонячній системі. Породи на зразок троктоліта 76536 мають таке ж співвідношення ізотопів кисню, що і земні породи, а також групи астероїдів - енстатітових хондритів. Склад ізотопів кисню у цих астероїдів схожий з земним, каже Міріам Телус, космохімік, що вивчає метеорити в Інституті Карнегі у Вашингтоні. «Один з аргументів полягає в тому, що вони сформувалися в гарячих областях диска, які могли бути ближче до сонця», говорить вона. Можливо, вони сформувалися поруч із Землею.
Деякі з цих порід зібралися, щоб сформувати Землю; інші сформували Тейю. Енстатітових хондрити - це залишкові камені, які ніколи не мали наміру і не ставали досить великими, щоб утворювати мантії, ядра і повністю сформовані планети.
У січні Ніколас Дауфас, геофізик Чиказького університету, заявив, що більшість каменів, які стали Землею, були метеоритами енстатітових типу. Він стверджував, що все, що сформувалося в одному регіоні, буде збиратися з них. Планетарне будівництво проходило з використанням одних і тих же замішаних матеріалів, які ми зараз знаходимо на Землі і Місяці; вони виглядають однаково, тому що є одним і тим же. Гігантська тіло, яке сформувало Місяць, ймовірно, мало ізотопний склад, схожий з земним.
Девід Стівенсон, планетолог з Каліфорнійського технологічного інституту, що вивчає походження Місяця з тих пір, як гіпотеза Тейи була вперше представлена в 1974 році, говорить, що вважає цю роботу найважливішим внеском в суперечку за останній рік. Тому що вона присвячена проблемі, яку геохімік намагаються вирішити десятиліттями.
«Це розумна історія про те, як потрібно розглядати різні елементи, що потрапляють на Землю», говорить Стівенсон.
Але не всі згодні. Залишаються питання про ізотопний співвідношенні елементів на кшталт вольфраму, зазначає Стюарт. Вольфрам-182 є похідним від гафнію-182, тому ставлення вольфраму до гафнію працює як годинник, визначаючи вік конкретної породи. Якщо в однієї породи більше вольфраму-182, ніж в іншої, можна сміливо заявляти, що багата вольфрамом порода сформувалася раніше. Але найточніші вимірювання показують, що співвідношення вольфраму до гафнію у Землі і Місяця однакові. Два тіла повинні були знаходитися в особливих умовах, щоб так вийшло.
За матеріалами Quanta
Особа супутника демонструє свідоцтва важкого бомбардування; чому ж тоді ми повинні думати, що лише один удар виліпив Місяць з Землі?Якщо так, то як вони взагалі могли злитися?