Луна могла родиться за пять часов: новые симуляции переписывают историю столкновения с Тейей

Ученые учли прочность материалов, а не только массы. Оказалось, что горячие и мягкие протопланеты сталкивались иначе — и Луна сформировалась гораздо быстрее, чем считалось.

Луна могла сформироваться всего за пять часов после катастрофического столкновения Земли с давно исчезнувшей протопланетой, предполагают новые симуляции. Эти неожиданные результаты могут пролить свет на другие исторические удары по нашей космической окрестности и за ее пределами.

Эксперты strongly подозревают, что Луна возникла, когда космическая скала размером с Марс под названием Тейя врезалась в раннюю версию нашей планеты, когда Солнечная система была молодой и крайне нестабильной. Это колоссальное столкновение, вероятно, превратило когда-то соседние миры в вращающиеся комки расплавленной породы, которые в конечном счете слились и остыли в те версии Земли и Луны, которые мы видим сегодня. Без этого столкновения, которое также могло оставить фрагменты Тейи глубоко внутри нашей планеты, многие ученые считают, что жизнь на Земле могла никогда не возникнуть.

Лунные породы, собранные во время миссий NASA «Аполлон», предоставили доказательства в поддержку этой теории, получившей название гипотезы гигантского удара. Эти образцы также говорят нам, что Луне около 4,5 миллиарда лет, а значит, столкновение произошло примерно через 100 миллионов лет после рождения Солнца. Но хотя ученые ранее моделировали событие удара, было сложно точно установить, как именно сформировалась Луна и сколько времени это заняло после столкновения Земли и Тейи.

В новом исследовании, опубликованном 1 сентября в The Astrophysical Journal Letters, исследователи провели серию симуляций, сосредоточившись на различных потенциальных геологических свойствах как Земли, так и Тейи до их столкновения. Этот фактор до сих пор был относительно малоизучен.

«Когда вы моделируете Землю и Луну как сталкивающиеся тела с [разными] геологическими свойствами, это меняет то, как Луна формируется из этого удара — то, что мы раньше считали ненужным», — сказала в заявлении первый автор исследования Адин Дентон, геолог и планетолог из Юго-Западного исследовательского института в Боулдере, штат Колорадо.

До сих пор симуляции удара Земля — Тейя фокусировались в основном на массах сталкивающихся соседей. Но в новом исследовании ученых больше всего интересовала прочность материала двух тел, особенно твердость их внешних оболочек.

«Модели развивались, включив прочность материала — то, что действительно важно при изучении столкновений между меньшими телами, такими как астероиды, — сказала Дентон. — Мы не были уверены, будет ли это иметь значение для Луны или нет. Когда мы провели симуляции, мы обнаружили, что это на самом деле имеет немалое значение».

Главный фактор прочности сталкивающихся тел — температура. И Земля, и Тейя были очень молоды, когда столкнулись, поэтому они все еще были горячими и имели мягкие или расплавленные поверхности. Эти свойства смягчили бы столкновение, позволив обломкам в значительной степени остаться intact и позволив Луне сформироваться быстрее. Но когда гипотеза гигантского удара была впервые предложена (в 2001 году), исследователи initially думали, что столкновение произошло гораздо позже, а значит, тела остыли и стали более хрупкими. В этом случае их столкновение создало бы большее поле каменных обломков, которым потребовалось бы больше времени для слияния.

Исследователи смоделировали столкновение, используя диапазон потенциальных температур, и обнаружили, что в самом экстремальном сценарии — когда пара была в своей самой горячей точке — Луна могла сформироваться всего за пять часов. Однако это лишь один из потенциальных исходов, и нет способа узнать точно, насколько горячими — и, следовательно, насколько прочными — были Земля и Тейя, когда столкнулись.

Когда Луна сформировалась, она изначально была покрыта океаном магмы, которому потребовались сотни миллионов лет, чтобы затвердеть. Даже тогда ее повышенная близость к Земле означала, что она, вероятно, была вулканическим адом. Однако со временем она удалилась от нашей планеты, еще больше остыв, и теперь считается геологически мертвой. (Луна продолжает медленно удаляться от нас и в конечном счете может полностью покинуть гравитацию нашей планеты, если умирающее Солнце не уничтожит ее и нас первыми примерно через 5 миллиардов лет.)

Новые симуляции подчеркивают важность прочности материала в моделировании планетарных ударов, что может изменить наши знания о других древних столкновениях, например, о том, которое сбило спутник Юпитера Ганимед с его оси, или о том, которое породило спутник Сатурна Титан.

Кроме того, выводы могут иметь последствия для поиска экзолун — гипотетических лун далеких экзопланет, которые до сих пор оставались неуловимыми, согласно родственному сайту Live Science. До сих пор одним из основных способов поиска этих инопланетных спутников было обнаружение полей обломков вокруг экзопланет. Однако если Луна — показатель, эти поля обломков могут быть очень недолговечными и трудными для идентификации.

Космическая кузница: как прочность меняет историю

Гипотеза гигантского удара десятилетиями оставалась лучшим объяснением происхождения Луны. Но детали — как именно, когда и как быстро — оставались туманными.

Новое исследование добавляет в уравнение фактор, который раньше игнорировали: прочность материала. Когда Земля и Тейя столкнулись, они были молодыми, горячими и мягкими. Это означало, что удар был более «упругим» — обломки не разлетались так далеко, а быстрее собирались в Луну.

Если бы они столкнулись позже, когда уже остыли и стали хрупкими, картина была бы иной. Больше обломков, больше времени на формирование, другая Луна.

Пять часов — это ошеломляюще быстро по космическим меркам. Но это лишь один из сценариев. Мы никогда не узнаем точно, насколько горячими были протопланеты.

Открытие имеет значение не только для Луны. Оно меняет подход к моделированию всех планетарных столкновений — от Ганимеда до Титана. И, возможно, поможет найти экзолуны, которые до сих пор ускользают от астрономов.

Луна, наш ближайший сосед, все еще хранит тайны. И каждая новая симуляция делает ее историю более невероятной.

Источники: The Astrophysical Journal Letters, заявления Адин Дентон, данные миссий «Аполлон».