Теги: Космос, Астрономия

16:43 03 марта 2021

текст

Путешествие к центру Луны

С древнейших времен люди изучали Луну – самое яркое светило ночного неба. Но до начала эры космических полетов наши знания о ней были крайне скудны. Не представлялось возможным выяснить строение нашего спутника, узнать, как он образовался и почему всегда повернут к Земле одной стороной.

2462 0 0

отправить по e-mail

Но и после того, как множество автоматических аппаратов исследовали Луну, а 12 человек ходили по ее поверхности и привезли на Землю более 360 килограммов лунного грунта, она не спешит раскрывать все свои тайны.

До полета к Луне американских астронавтов основными в научном мире считались три гипотезы ее появления. В англоязычной литературе их называли «Большой тройкой» – The Big Three.

У Луны много исследователей

Первая гипотеза – «захват извне». Ее высказал в 1909 году американский астроном Томас Джефферсон Джексон Си. По его версии Луна сформировалась как независимая планета где-то в Солнечной системе, а затем сблизилась с Землей и была захвачена ее гравитационным полем, став спутником.

«Захват извне»

Вторая версия – «совместное рождение» – тщательно разрабатывалась многими мыслителями и учеными начиная с Канта и Лапласа. Она подразумевает, что Земля и Луна выросли на одной орбите, как двойная планета, из первоначального протопланетного газопылевого роя частиц.

«Совместное рождение»

Третья гипотеза – «центробежное отделение». В 1878 году ее выдвинул Джордж Дарвин, сын Чарльза Дарвина. Он предположил, что молодая Земля вращалась с очень высокой скоростью, и под действием центробежных сил от нее оторвался крупный кусок вещества – из него впоследствии образовалась Луна.

«Центробежное отделение»

Однако анализ новых научных данных, полученных в результате космических полетов к естественному спутнику нашей планеты, дал неожиданный результат – факты противоречили всем существовавшим на тот момент теориям происхождения Луны.
Во-первых, химический анализ лунного грунта показал, что он в основном представлен базальтами – это самые распространенные магматические породы на поверхности Земли. Лунный грунт отличался от земных пород незначительно: в нем
обнаружили большее содержание тугоплавких элементов (титан, цирконий, хром) и меньшее – летучих (водород, фтор, инертные газы). Радиоизотопный анализ выявил, что породы лунной и земной коры практически идентичны по соотношению стабильных изотопов кислорода (это соотношение называют «кислородной подписью»).

Эти два факта свидетельствуют о том, что Земля и Луна сформировались из одного исходного материала на одинаковом расстоянии от Солнца и имеют примерно равный возраст – около 4,5 миллиардов лет. Стоит ли говорить, что с получением таких данных гипотеза захвата извне отпала сама собой.

Далее, в результате сейсмических исследований недр Луны, проведенных астронавтами «Аполлонов», выяснилось, что внутреннее строение спутника разительно отличается от земного. Железосодержащее ядро Луны очень мало, на его долю приходится не более 2,5 процентов массы (у Земли ядро занимает около 30 процентов). В связи с этим, как предполагают, плотность Луны соответствует плотности земной мантии и почти вдвое меньше средней плотности Земли. Такие значительные отличия опровергают гипотезу одновременного рождения из газопылевого облака – трудно представить, что два тела вырастают рядом из одного орбитального слоя вещества, но при этом одно из них забирает железо, а второе остается практически без него.

В-третьих, дарвиновская гипотеза центробежного отделения тоже была поставлена под сомнение, так как скорость вращения Земли, требуемая для такого отрыва, чрезмерно велика: один оборот за 1–2 часа. Момент импульса вращения планеты в этом случае должен был в три-четыре раза превышать нынешний (и так необычайно высокий). Появление у сформировавшейся Земли такого момента импульса вращения невозможно объяснить, как и его последующее исчезновение.

Пришлось ученым искать совершенно другую версию, способную объединить все новые данные о строении Луны. И вскоре такая гипотеза была высказана Уильямом Хартманом и Дональдом Дэвисом в статье, напечатанной журналом Icarus (1975). Она получила название «Теория гигантского столкновения» и в настоящее время является господствующей в научном мире.

Суть ее такова. 4,5 миллиарда лет назад (вскоре после формирования) Земля столкнулась с планетой, названной Тейя, близкой по размеру к современному Марсу. Удар пришелся не по центру, а под углом (почти по касательной). В результате часть вещества земной мантии была выброшена на околоземную орбиту. Из этих обломков собралась Луна и начала обращаться по орбите с радиусом около 60 000 километров (в 6 раз меньше нынешнего). Земля из-за удара получила резкий прирост скорости вращения (один оборот за 5 часов) и заметный наклон оси вращения.

Исходя из предположения, что Луна сформировалась из выброшенного при ударе вещества с низкой плотностью, эта гипотеза легко объясняет и идентичность лунных пород земной мантии, и малый размер лунного ядра. Однако и у этой теории находятся критики.

Мною предлагается новая гипотеза рождения Луны.

Я предполагаю, что молодая Земля 4,5 миллиарда лет назад столкнулась не с планетой, как считают сейчас ученые, а с кометой таких же размеров. Дело в том, что до сих пор астрономы не встречались с блуждающими планетами размером с Марс. Современные модели предполагают, что в ранней Солнечной системе столкновения небесных тел происходили много чаще, чем сейчас, но это касается лишь мелких планет. Большая планета должна была выйти на устойчивую орбиту и не столкнулась бы с Землей.

Новая версия

Кометы же движутся по вытянутым орбитам, значительно отдаляясь от Солнца, часто пересекают орбиты планет. И сейчас многие кометы проходят недалеко от Земли. Миллиарды лет назад количество комет было в разы больше: столкновение с одной из них кажется вполне вероятным.

Известные сейчас науке кометы много меньше гипотетической Тейи. Этот факт легко объяснить, зная, что при каждом проходе возле Солнца они безвозвратно теряют часть своего вещества (оно уходит в «хвост»). Следовательно, 4,5 миллиарда лет назад кометы были намного больше, чем сейчас, и энергии удара одной из них было вполне достаточно, чтобы выбить из Земли строительный материал для будущей Луны.

Еще одно слабое место в теории гигантского столкновения – согласно расчетам, удар должен был произойти не по центру, а по касательной, словно Тейя каким-то образом сумела погасить часть энергии и слегка изменила траекторию своего движения перед столкновением.

Идея с кометой позволяет объяснить и эту нестыковку. При подлете к Солнцу кометы нагреваются и начинают испускать часть своего вещества – мы наблюдаем это в виде «хвоста». У молодых комет истечение нагретых газов, по-видимому, происходило еще активнее, и одна такая направленная струя могла слегка погасить скорость и привести к удару по касательной.

Другой вопрос к теории гигантского столкновения – куда делись обломки Тейи? Их не смогли обнаружить ни на Земле, ни на Луне (которая, как выяснилось, полностью построена из вещества земной мантии). Другое дело, если мы предположим столкновение с кометой. Комета состоит из смеси замерзших газов (азот, метан), водяного льда и примеси некоторых тугоплавких редкоземельных элементов. При столкновении газы просто испарились бы от энергии удара. Поэтому ученые и не могут найти обломки Тейи.

Куда делись обломки Тейи?

Как же встреча с кометой повлияла на нашу планету? Столкновение произошло в тот
момент, когда вещество молодой Земли уже начало расслаиваться по плотности. Тяжелые элементы опустились глубже, а поверхность покрылась тонкой коркой более легких веществ. Во время удара часть этой корки была выброшена на околоземную орбиту, и возместить недостаток Земле было уже нечем.

Это привело к дефициту в земной коре фельзических («светлых») и промежуточных пород, которых недостаточно для полного покрытия земной поверхности. Удар затронул почти половину коры, вызвав ее безвозвратную потерю для
Земли. В результате мы имеем материки, состоящие из относительно легких пород, и океанские бассейны, состоящие из пород более темных и тяжелых металлосодержащих. Такая разница позволяет функционировать системе тектонического движения литосферных плит, образующих земную кору.

Удар кометы, предположительно, также привел к наклону земной оси, что сейчас является причиной смены времен года, и передал планете дополнительный импульс вращения.

Кроме того, я считаю, что вещество кометы, испарившись, было захвачено притяжением Земли и сформировало первую влажную атмосферу, насыщенную азотистыми соединениями, метаном и водяным паром (веществами, из которых состоят кометы). В результате длительной эволюции водяной пар сконденсировался и образовал океаны, а атмосфера превратилась в то, что мы можем наблюдать сейчас.

Многие и раньше предполагали, что воду на Землю принесли мелкие кометы, но была одна проблема – они должны падать относительно равномерно, и тогда на всех планетах земной группы было бы поровну воды (льда, пара). А вот если к формированию уникальных земных условий привело всего одно столкновение с крупной кометой, получается, что образование жизни на Земле – не случайность, а закономерное отдаленное последствие древней катастрофы.

Сравним рассчитанную ЭВМ массу тела, ударившего в Землю (6·1023 кг), с массой земной гидросферы (1,5·1021 кг). Масса кометы превышает массу воды на Земле. Это связано с тем, что, во-первых, комета не состоит на 100 процентов из водяного льда, а во-вторых, часть вещества кометы была выброшена на околоземную орбиту и участвовала в формировании Луны.

По моей гипотезе Луна формировалась из обломков кометы и вещества земной мантии, выброшенного на околоземную орбиту. Вначале процесс протекал по тем же законам, что и у других планет земной группы. Облако собралось в протолуну, представлявшую собой рыхлое холодное небесное тело. Под действием гравитации начался нагрев спутника и разделение его вещества по плотности.

Тяжелые элементы для формирования своего маленького железного ядра наш спутник получил из двух источников. Во-первых, немного железа содержалось в обломках земной коры. Во-вторых, кометы (и это доказано современной наукой) имеют в своем составе редкоземельные тугоплавкие металлы, поэтому их количество в лунных породах несколько выше, чем в земных.

В этот период Луна вращалась вокруг своей оси быстрее, чем сейчас. И этого ей хватило, чтобы, даже имея относительно малое ядро, ненадолго обзавестись магнитным полем: ученые нашли следы остаточной намагниченности лунных пород.

Но дальнейший разогрев привел к тому, что кометный лед, из которого частично сформировалась Луна, растаял, превратился в газ и начал выходить наружу. За газом из лунных недр следовала раскаленная лава. Из-за малых размеров гравитация Луны не могла удержать атмосферу из испарившегося газа, и он рассеялся в окружающее пространство.

Остатки этого газа сегодня известны науке как «облака Кордылевского» – скопления мелкой межпланетной пыли и газа в точках Лагранжа (равновесия) системы Земля – Луна, открытые польским ученым Казимиром Кордылевским в 1956 году.

Из-за выхода наружу воды и ее последующего испарения Луна внутри имеет множество пустот и полостей. Это одна из причин ее низкой средней плотности, что подтверждается следующими фактами:

– до 30 процентов лунных камней имеют ячеистое строение. Это типичная порода с ямками, образовавшимися при выходе горячих газов;
– лунотрясения продолжаются аномально долго. После падения ступени корабля «Аполлон» колебания лунной поверхности не стихали в течение четырех (!) часов. Это можно объяснить наличием пустот глубоко под поверхностью;
– автоматические станции обнаружили на Луне глубокие пещеры, которые могли образоваться при выходе газов из недр планеты;
– в 1990-х годах в некоторых лунных кратерах удалось найти водяной лед;
– на Луне до сих пор наблюдаются так называемые «кратковременные явления» (различные непродолжительные локальные аномалии вида лунной поверхности). По-видимому, это выход остатков газов из недр на поверхность.

Лунное ядро, представлявшее собой разогретую вязкую массу, под действием земного притяжения начало «перекатываться» внутри пустот, образовавшихся при выходе газов. С каждым оборотом вокруг своей оси Луна теряла много энергии на это перекатывание. В итоге оно привело к полной синхронизации Луны и Земли - периоды обращения Луны вокруг Земли и собственной оси сравнялись. Затем остывшее ядро, смещенное в сторону Земли, застыло и прекратило перекатываться.

И здесь описываемая гипотеза перекликается с идеей «орехообразной Луны», разработанной в 1970-х годах профессором Валентином Киселевым. Вот только о кометном льде как причине образования пустот его теория умалчивала.

ЛУНА, ПОДОБНАЯ ОРЕХУ
«Образовавшиеся пустоты привели к перемещению лунного ядра по линии Земля – Луна. Данные, полученные с помощью спутников, показывают, что центр массы Луны по сравнению с геометрическим центром смещен в сторону Земли на 2 километра. Значит, ядро прижато к ближней к Земле части оболочки, а наибольший зазор между ядром и оболочкой располагается в удаленной от Земли области. Его величина – около 5 километров. При столкновении, соприкосновении ядра с оболочкой в зоне контакта, возможно, произошли местные разрывы с выходом расплавленной массы на поверхность Луны, растеканием по ней и образованием так называемых «морей». Становится понятным, почему моря располагаются на видимой стороне Луны, и их практически нет на невидимой», – пишет профессор В. Киселев.

Приведенная в это статье версия происхождения Луны не претендует на истину в последней инстанции. Она требует серьезной проверки с использованием современного оборудования. Вполне возможно, она окажется ошибочной.

Но неоспоримо другое – событие, приведшее к рождению Луны, сильно отразилось на развитии нашей планеты. Без него на Земле не было бы воды и атмосферы, не зародилась бы жизнь. Чем больше мы исследуем Луну, тем точнее будут наши представления о своей планете и о нас самих.

Наш журнал ММ Поддержать ММ

Наука

Александр Цуриков

Машины и Механизмы