Луна заметно крупнее спутников других каменистых планет Солнечной системы, однако механизм её появления до сих пор не имеет однозначного объяснения. Специалисты Юго-Западного исследовательского института (SwRI) и Аризонского университета пришли к выводу, что важную роль в рождении Луны мог сыграть фактор, которому прежде не уделяли должного внимания, — прочность столкнувшихся небесных тел. Результаты этой работы опубликованы в журнале The Astrophysical Journal Letters.
С помощью компьютерного моделирования авторы изучили масштабное столкновение, которое, как считается, произошло примерно 4,5 миллиарда лет назад между молодой Землёй и объектом размером с Марс. Расчёты показали, что итог удара сильно зависит от температуры и структурных характеристик обоих тел. Впервые в подобных моделях была учтена прочность материала двух древних миров, что способно изменить представления учёных о столкновении, породившем Луну, и помочь точнее определить время этого события.
«Мы обнаружили, что геологическое состояние протолуны размером с Марс имеет значение, — заявила Адин Дентон, ранее работавшая постдокторантом в Лаборатории луны и планет, а ныне сотрудница SwRI. — Когда моделируешь Землю и Луну как сталкивающиеся тела с геологическими свойствами, это меняет картину образования Луны в результате удара — раньше мы считали это несущественным».
Одна из ведущих версий происхождения Луны — теория гигантского столкновения. Согласно ей, тело размером с Марс под названием Тейя врезалось в раннюю Землю, разрушилось, а его остатки вышли на орбиту и образовали диск обломков, из которого впоследствии собралась Луна. Основополагающее исследование 2001 года по этой теме возглавили Робин Кануп, вице-президент отдела наук о Солнечной системе SwRI в Боулдере (штат Колорадо), и Эрик Аспхог, профессор Лаборатории луны и планет и соавтор новой работы. В тех ранних моделях, как и во многих последующих, прочность материала не учитывалась: считалось, что энергия удара настолько велика, что каменистые тела можно рассматривать как жидкости.
Дентон с коллегами решили проверить обоснованность этого допущения. Применив современные вычислительные методы, они впервые включили в модели образования Луны зависящую от температуры геологическую прочность. «Поскольку столкновение считалось достаточно мощным, чтобы расплавить и испарить значительные части Земли и Тейи, в прежних работах допускалось приближать их к жидкостям, — пояснил Аспхог. — Однако наши новые результаты говорят о том, что это пора пересмотреть». Температура оказалась особенно важна: горячие тела механически слабее холодных, и эта разница, как показали расчёты, резко меняет последствия удара. При одних условиях столкновение уничтожает Тейю и создаёт вокруг Земли широкий протолунный диск, материал которого постепенно формирует Луну. При других результаты оказались куда более впечатляющими: вместо медленного собирания из обломков полностью сформированная Луна появлялась всего за несколько часов.
Поскольку молодые протопланеты обычно начинают горячими и постепенно остывают, этот результат создаёт возможную связь между временем гигантского столкновения и тем, как изначально формировалась Луна. «В зависимости от того, насколько горячи Земля и Луна перед столкновением, удар может уничтожить Тейю и породить массивный диск обломков, из которого в итоге образуется Луна, — сказала Дентон. — Но когда мы использовали те же параметры, что и в исходном моделировании удара, вплоть до одинаковых температурных структур внутри обоих тел, примерно за пять часов возникла целая луна». Ранее модели тоже давали целые луны, однако новая работа первой показала, что прочность материала и температура могут определять, сформируется ли Луна в основном сразу или постепенно соберётся из переработанных обломков протолунного диска.
Полученные данные могут связать современные свойства Луны с физическим состоянием Земли и Тейи миллиарды лет назад. «Эти неожиданные и захватывающие результаты подразумевают возможную связь между физическими свойствами Луны сегодня, включая, возможно, содержание в ней летучих веществ, и тепловым состоянием Земли и Тейи во время гигантского столкновения, — отметила Кануп, не участвовавшая в исследовании. — Это, в свою очередь, может помочь учёным лучше ограничить время события, породившего Луну». При этом одна крупная загадка остаётся нерешённой: состав Земли и Луны удивительно схож, и модели гигантского удара давно не могут это полностью объяснить. Новые расчёты эту проблему не снимают. «Поскольку Земля и Марс формировались по соседству в Солнечной системе, они как братья, — сказала Дентон. — А Луна и Земля скорее как разнояйцевые близнецы». Одна из возможностей состоит в том, что Тейя и протоземля образовались из материала одного региона ранней Солнечной системы, тогда как Марс, чей состав отличается от земного и лунного, мог сформироваться дальше.