Новое исследование с применением компьютерного моделирования проливает свет на происхождение Луны. По сравнению со своими размерами и положением в Солнечной системе Земля обладает неожиданно крупным спутником. Однако точный механизм появления Луны долгое время оставался загадкой для учёных.
Специалисты Юго-Западного исследовательского института и Университета Аризоны задействовали современные вычислительные методы, которые выявили принципиальные различия в том, как Луна могла сформироваться в результате столкновения с объектом размером с Марс примерно 4,5 миллиарда лет назад. Результаты опубликованы в журнале The Astrophysical Journal Letters. Впервые в расчётах была учтена прочность материала обоих древних тел, что может изменить представления исследователей о характере этого планетарного столкновения.
«Мы обнаружили, что существовавшая до столкновения геология протолуны размером с Марс имеет значение, — говорит Адин Дентон, бывшая постдокторантка Лаборатории луны и планет, ныне сотрудница Юго-Западного исследовательского института. — Когда вы моделируете Землю и Луну как сталкивающиеся тела с геологическими свойствами, это меняет картину формирования Луны в результате удара — раньше мы считали это несущественным».
Более ранние работы по сценарию гигантского столкновения опирались на основополагающую статью 2001 года Робин Кануп, вице-президента отдела наук о Солнечной системе Юго-Западного исследовательского института в Боулдере, и Эрика Аспхауга, профессора Лаборатории луны и планет и соавтора текущего исследования. Согласно этому сценарию, обломки от столкновения тела размером с Марс, известного как Тейя, с ранней Землёй уничтожили Тейю, рассеяв её остатки в диск вокруг Земли. Однако те симуляции и последующее моделирование гигантского удара игнорировали прочность материала, которая считалась незначительной для столь высокоэнергетических событий. Дентон и её команда пересмотрели эту гипотезу, впервые применив современные вычислительные методы с учётом зависящей от температуры геологической прочности.
«Поскольку столкновение считалось достаточно сильным, чтобы расплавить и испарить большие части Земли и Тейи, в тех работах предполагалось, что их можно приближённо рассматривать как жидкости, — говорит Аспхауг. — Но, судя по нашим новым результатам, пришло время пересмотреть это».
Дентон вернулась к этой гипотезе, впервые использовав более совершенное моделирование методом сглаженных частиц (SPH), учитывающее структурную прочность участвующих в столкновении тел. Эта версия метода, разработанная в Университете Аризоны и Бернском университете в Швейцарии, применяет модель прочности, придающую телам сопротивление деформации, характерное для реалистичных геологических материалов — таких как породы и металлы, из которых состояли Тейя и протоземля, или твёрдый лёд. Более горячие тела слабее холодных, и команда установила, что разные исходы формирования Луны чувствительны к температурам сталкивающихся тел. В одних сценариях полностью сформированная Луна появляется в течение нескольких часов после удара, в других образуется протолунный диск вокруг Земли, из которого Луна со временем собирается. Поскольку протопланеты обычно начинают горячими и остывают с возрастом, это устанавливает важную новую связь между временем гигантского столкновения и природой начального состояния и сборки Луны.
«В зависимости от того, насколько горячи Земля и Луна перед столкновением, удар может уничтожить Тейю и создать массивный диск обломков, из которого в итоге формируется Луна, — говорит Дентон. — Но когда мы использовали те же параметры, что и в исходном моделировании удара, вплоть до одинаковых температурных структур внутри обоих тел, примерно через пять часов возникала целая Луна». Хотя исходы с целой Луной наблюдались и в прежних симуляциях, эта работа первой показала, что прочность материала и температура играют центральную роль в том, сформируется ли Луна сразу или соберётся из материала, переработанного в протолунном диске.
«Эти неожиданные и захватывающие новые результаты подразумевают возможную связь между физическими свойствами Луны сегодня, включая, возможно, её содержание летучих веществ, и тепловым состоянием Земли и Тейи на момент гигантского столкновения, — говорит Кануп, не участвовавшая в исследовании. — Это, в свою очередь, может помочь учёным точнее определить, когда произошло событие, сформировавшее Луну». Остаётся и другая загадка — схожесть материалов, из которых состоят Земля и Луна. Как и в прежних моделях, объяснение близкого состава Земли и Луны остаётся открытым научным вопросом.
«Поскольку Земля и Марс формировались по соседству в Солнечной системе, они как братья, — говорит Дентон. — Луна и Земля скорее как разнояйцевые близнецы». Возможное объяснение состоит в том, что Тейя и протоземля образовались из общего региона Солнечной системы, тогда как Марс, отличающийся по составу от Земли и Луны, сформировался дальше. «Теперь мы знаем, что геофизическое состояние Земли и Тейи играет фундаментальную роль в определении исхода столкновения, — говорит соавтор исследования Намья Байджал, докторантка группы Аспхауга. — Это даёт нам новый способ изучать условия удара и то, что они могут рассказать о происхождении Луны». Источник: Университет Аризоны.