Химики о происхождении Луны

Новые результаты анализа лунных и земных скальных пород помогли уточнить основную гипотезу образования Луны («Nature», 2016, doi: 10.1038/nature19341).

Содержание нуклида ⁴¹К в образцах пород земного и лунного происхождения

В 1975 году Уильям Хартман и Дональд Дэвис разработали гипотезу, согласно которой Луна образовалась миллиарды лет назад в результате столкновения молодой Земли с протопланетой. Гипотетическую протопланету (она, как и Земля, находилась в стадии формирования) назвали Тейя. В соответствии с этой гипотезой гигантского столкновения удар Тейи пришелся почти по касательной. В результате большая часть ее вещества была выброшена на околоземную орбиту, из них собралась прото-Луна, которая впоследствии и стала нашим любимым естественным спутником. Чуть позже гипотезу модифицировали — стали считать, что на образование Луны пошли не только осколки Тейи, но и часть вещества земной мантии.

Гипотеза гигантского столкновения по-прежнему остается основным научным предположением, описывающим образование Луны. Однако увеличение точности измерений изотопного состава в последние два десятилетия позволило выявить некоторые изъяны в существующей модели. Если Луна образовалась главным образом из вещества Тейи, то ее породы должны отличаться по изотопному составу от земных. Однако в 2001 году обнаружили, что и в земных, и в лунных скальных породах содержатся одинаковые количества трех изотопов кислорода, что позволяет говорить о формировании Луны, главным образом, из материала мантии Земли, а не Тейи. Химикам также не удавалось найти различий в изотопном составе полулетучего элемента калия для земных и лунных пород. Поэтому в начале 2000-х годов исследователи предложили сценарий относительно низкого по энергии удара Тейи о Землю, после чего образовалась общая для двух небесных тел силикатная атмосфера, которая успела перемешаться и выровнять концентрации изотопов в обоих небесных телах еще до формирования Луны.

Новые исследования, которые провели Кун Вон из Университета Вашингтона в Сент-Луисе и Штейн Якобсен из Гарварда, указывают на то, что изотопные составы калия в породах земного и лунного происхождения незначительно различаются. Эти результаты не укладывается в классическую трактовку гипотезы гигантского столкновения, согласно которой Луна в основном сформировалась из осколков Тейи, а компоненты мантии Земли внесли в образование нашего спутника меньший вклад. Кун Вон считает маловероятным и низкоэнергетическое столкновение, подчеркивая, что эффективное смешение элементов прото-Земли и Тейи в любом случае не могло произойти из-за низкой скорости — поднявшаяся в результате столкновения пыль гораздо быстрее просто осела бы на Землю.

С помощью новой высокоточной методики измерения содержания изотопов калия Вон и Якобсен обнаружили, что семь образцов лунного грунта, доставленных на Землю «Аполлонами», содержат больше тяжелых изотопов калия по сравнению с земными образцами. Таким образом, хотя идентичное изотопное распределение кислорода в образцах с Земли и Луны однозначно говорит о смешении Земли и Тейи в результате столкновения, даже незначительные различия в составе калиевых изотопов позволяют предположить механизм этого смешения. По словам Вона и Якобсена, единственный процесс, который мог вызвать такую картину, — столкновение, приведшее к выделению большого количества энергии с последующим избирательным осаждением более тяжелых изотопов калия в формировавшейся Луне. Изотопное распределение калия оказалось существенным аргументом для корректировки астрономической гипотезы.