08.07.2019. - Синестия может объяснить тайну происхождения Луны

Синестия может объяснить тайну происхождения Луны

1 августа 1971 года, исследуя восточный край лавовой равнины, известной как Море Дождей, на безмолвной и безмятежной лунной поверхности астронавты Аполлона-15 Дэвид Скотт и Джеймс Ирвин обнаружили нечто замечательное: очень старый кусок лунной коры, реликт возрастом свыше четырех миллиардов лет, который нес в себе ответы на вопросы о формировании Луны.

Увидев блеск древних кристаллов в том, что позже назовут Камнем Бытия, Скотт сразу понял, что это потенциально важно для разгадки тайны создания Луны. «Думаю, мы нашли то, для чего пришли», — сообщил он по радио в центр управления полетами, когда они с Ирвином взяли камень и положили его в сумку. В итоге он стал ключевой частью величайшего научного наследия программы «Аполлон».

Исследования Камня Бытия и почти 400 килограммов других образцов, доставленных астронавтами Аполлонов обратно на Землю, изменили наше понимание лунной истории. Эти воистину драгоценные камни опровергли преобладающие на тот момент теории о том, что Луна была гравитационно захвачена Землей или образовалась рядом с ней, в то же время раскрывая важные новые детали, такие как тот факт, что новорожденный спутник был покрыт океаном магмы.

Огромная энергия, необходимая для формирования магматического океана Луны, указала на принципиально новую идею лунного происхождения — спутник Земли сформировался в результате сильнейшего удара, столкновения между Протоземлей и другим планетарным телом, названным Тейей. Концепция основана на расчетах, показывающих, что образующиеся из протопланетного диска зародыши планет будут сталкиваться друг с другом, а также на любопытном факте, что состав Луны необычайно похож на состав мантии Земли.

Некоторые исследователи даже предположили, что такое воздействие повлияло на вращение молодой Земли, создав текущие 24-часовые сутки. Каноническая гипотеза гигантского столкновения, которая возникла из этих ранних исследований, предполагает, что скользящее взаимодействие с телом размером с Марс создало диск из расплавленных обломков вокруг Земли. Затем этот диск объединился в Луну — сценарий, который может объяснить большую массу нашего спутника.

Тем не менее, гипотеза древнего столкновения не лишена недостатков. Главным среди них является поразительная химическая связь между Землей и Луной. Эти два тела сделаны из одного и того же исходного материала, как если бы они были планетарными близнецами, тогда как каноническая гипотеза говорит о том, что Луна должна быть в основном сделана из материала космического тела, столкнувшегося с Землей.

Тейя должна была отличаться по составу от Протоземли, поскольку планеты, растущие из диска газа и пыли вокруг молодого Солнца, будут включать в себя различные элементы в различных концентрациях, основанных на их орбитальном расположении. Ученые могут определять эти различия, выполняя очень точные измерения относительного содержания изотопов в породах, получая уникальные «изотопные отпечатки» для каждого планетарного тела в Солнечной системе — за исключением Земли и Луны, которые, как ни странно, кажутся почти одинаковыми.

Этот изотопный кризис преследовал гипотезу о гигантском столкновении в течение десятилетий, но лучшего объяснения происхождения Луны не нашли до недавнего времени. Однако теперь, проведя различные моделирования, мы знаем, что большинство серьезных столкновений не делают планету окруженной диском из обломков. На самом деле, большинство столкновений вообще не создают новые космические тела. Вместо этого они создают совершенно новый класс астрономических объектов — синестию, гибрид планеты и диска, который может объяснить многие из самых загадочных особенностей Луны.

Прятки на виду

Обнаружение следов синестий было сделано несколько лет назад, когда Симон Лок и Сара Стюарт, планетарные ученые из Калифорнийского технологического университета, ломали голову над тем, отвечает ли гигантское лунообразующее столкновение за текущую продолжительность дня на Земле. С точки зрения физики, этот суточный цикл связан с этим столкновением фундаментальным законом сохранения момента импульса.

Возвращаясь назад во времени, когда Луна была ближе к Земле, для сохранения момента импульса последняя вращалась быстрее, намного быстрее — на ней был всего пятичасовой день. Также ученые обнаружили, что столкновение с Тейей могло установить общий угловой момент Земли и Луны.

Но если бы что-то другое установило длину дня на Земле, то событие, формирующее Луну, могло бы иметь больший (или меньший) момент импульса, открывая дверь для гораздо более широкого спектра возможных сценариев воздействия. И гигантское столкновение с большим угловым моментом и большей энергией может, в очень редких случаях, привести к справедливому смешению материала двух сталкивающихся тел, что потенциально объясняет статус Земли и Луны как изотопных близнецов.

Изучая эту проблему путем моделирования около сотни различных сценариев столкновения с различными уровнями энергии, углового момента и массы Луны, Лок и Стюарт столкнулись с кажущимися бессмысленными результатами. Их графики для некоторых сценариев не показывали аккуратного разделения между «планетой» и «диском», которое ожидалось увидеть. Космические тела, созданные в таких столкновениях, были горячими и огромными, их скалистые покровы частично испарялись и «раздувались» более чем в 100 раз по сравнению с сегодняшним объемом Земли. В итоге они оказывались настолько «распухшими», что стали соединяться с окружающими их дисками. Получающиеся объекты не были похожи на нормальные планеты или диски, образуя что-то среднее.

Чтобы понять то, что они видели, пришлось вернуться к первоначальным принципам, пересматривая такие основы, как рабочее определение «планеты». Планета частично определяется своей сфероидальной формой, которая возникает из-за того, что ее гравитация достаточно сильна, чтобы принять именно эту оптимальную физическую форму.

Используя законы гидродинамики, ученые решили промоделировать, что произойдет с похожей на Землю планетой, если ее поверхностный слой начнет нагреваться. Оказалось, что планета станет «набухать», а при экстремальных температурах, которые бывают при гигантском столкновении, она становится похожа на газовый гигант, не имеющей поверхности, только лишь толстую атмосферу из испарившейся мантии, которая становится плотнее с глубиной. Если такой мир совершает один оборот раз в 5 часов, он все еще сохраняет примерно сфероидальную форму.

Но если планета вращается еще быстрее и сильнее нагревается, происходит нечто удивительное. По мере расширения экватора планеты объекты на нем достигают первой космической скорости, то есть начинают как будто находиться на орбите. Лок и Стюарт назвали эту точку пределом коротации. Достаточно еще немного нагреть материал на экваторе, и он в прямом смысле того слова будет вытекать на орбиту.

При таком нагреве на экваторе проступит нечто, похожее по форме на плавник, и планета станет чем-то другим. В отличие от планеты, это уже не будет просто сфероид. Кроме того, такое тело больше не вращается связно, вместо этого оно имеет внутреннюю, более быструю, область вращения и внешнюю область, которая вращается медленнее. После некоторых размышлений ученые решили назвать это новое небесное тело синестией (synestia) — этот термин получился сочетанием слов синергия (synergia) и Гестия (греческая богиня домашнего очага), так как они считают, что Земля была одним из таких необычных горячих объектов. Синестия — это то, во что превращается планета, когда тепло и вращение заставляют ее превышать предел сфероидальной формы.

Вскоре Лок и Стюарт производили синестии сотнями в своих компьютерных моделях, нагревая вращающиеся планеты выше предела коротации. Синестии могут иметь широкий диапазон форм и размеров, в зависимости от того, какую массу, энергию и угловой момент имеет первоначальная планета. Свойства синестии также зависят от того, как она была образована. Осторожное нагревание планеты приводит к образованию синестии, похожей на приземистую летающую тарелку, но серьезные космические столкновения, резко нагревающие планеты, создают огромные пухлые синестии, похожие на пончики.

Вооружившись лучшим пониманием того, как эти объекты возникают и развиваются, ученые стали копаться во всех своих предыдущих симуляциях гигантских столкновений и обнаруживать там синестии. Как оказалось, большинство исследователей, имеющих дело с космическими столкновениями, годами неосознанно моделировали синестии.

Тот факт, что их никто не заметил ранее, легко объясняется неподходящими в нашем случае условиями. В диапазоне возможных лунообразующих гигантских столкновений энергия и момент импульса при столкновении Земли с телом размером с Марс слишком малы, чтобы вызвать синестию. Сосредоточив свое внимание на Тейе размером с Марс, целые поколения ученых были введены в заблуждение, думая, что планета и диск являются стандартным результатом гигантских столкновений.

Для Лока и Стюарт следующим очевидным шагом было моделирование того, как часто синестии должны возникать в результате сложного процесса формирования планет. Они разработали методы, чтобы определить, какие воздействия могут превратить планеты в синестии. Сравнивая эти результаты с моделями растущих планет, они обнаружили, что синестии — это не редкие космические причуды, а на самом деле вполне распространенная особенность молодых планетарных систем.

Действительно, расчеты показывают, что большинство каменистых планет во Вселенной, вероятно, трансформировались в синестии один или несколько раз за время своего формирования. Так что теперь есть серьезное подозрение, что большинство гигантских столкновений, образующих тело с земной массой, также создаст и синестию. В итоге, путем несложного моделирования, эти двое ученых обнаружили недостающую часть в космической истории планет.

Назад на Луну

И все же главный вопрос остается: может ли синестия объяснить уникальное совпадение нашей Луны и Земли? Синестия — это совершенно иная среда для лунной аккреции, чем традиционный околопланетный газопылевой диск. Лок и Стюарт обнаружили, что формирование Луны из синестии предлагает решение многих проблем, которые преследуют каноническую импактную модель возникновения нашего спутника.

Температура поверхности синестии определяется температурой кипения породы, которая составляет около 2000 градусов по Цельсию при низком давлении. Излучая тепло в космос и охлаждаясь, вещество конденсируется в капли магмы. В этом сценарии ядром Луны выступает маленький шар из расплавленной породы — та часть материала, которая не испарилась при первоначальном столкновении. В дальнейшем раскаленные капли в синестии оседают на этот шар под воздействием гравитации, причем интенсивность такого «дождя» будет на порядок выше, чем сильнейшие тропические ливни на Земле.

В итоге Луна могла расти в глубине синестии, окруженная огромным количеством газообразной породы под высоким давлением. Через некоторое время охлаждающаяся синестия уменьшилась настолько, что «оторвалась» от Земли, после чего ее остатки или продолжили формирование Луны, или же упали на Землю.

Эта история может объяснить, почему Земля и Луна являются изотопными близнецами: ведь синестия образовалась из испаренного и хорошо перемешанного материала, полученного из двух сталкивающихся тел. Кроме того, дожди из расплавленной магмы и турбулентные потоки из испарившейся породы привели бы к еще большему перемешиванию вещества. Так что если синестия была достаточно хорошо перемешана, то нет ничего удивительного в том, что Луна приобрела те же соотношения изотопов, что и Земля.

Синестия также может объяснить некоторые другие лунные загадки, которые не решает каноническая гипотеза гигантского столкновения. Например, хотя у Луны тот же изотопный отпечаток, что и у Земли, она не имеет точно такого же химического состава. Луна имеет очень низкое содержание таких легколетучих элементов, как водород и азот, и меньше умеренно летучих элементов, таких как натрий и калий, по сравнению с Землей. Эти особенности не могут быть полностью объяснены канонической гипотезой. И все же они естественным образом возникают в результате «выпекания» растущей Луны в «духовке» синестии при температурах в несколько тысяч градусов на протяжение сотни лет.

Легколетучие элементы преимущественно оставались бы синестии, так как они не конденсируются в капли магмы, поэтому Луна и не могла приобрести того обилия этих элементов, какое есть на Земле. В итоге эти летучие вещества собрались вокруг Земли из-за ее большей гравитации, образовав первичную атмосферу.

Что касается умеренно летучих элементов, то моделирование, проведенное планетарными учеными из Гарвардского университета, показывает, что Луна вступает в химическое равновесие с испаряющимися элементами внутри синестии. Проще говоря, рождение в синестии хорошо объясняет, почему Луна имеет схожий химический состав с Землей, но с меньшим количеством летучих элементов.

Наконец, синестия может объяснить причудливую орбиту Луны. Это кажется странным, но Луна не вращается вокруг Земли в той же плоскости, в которой Земля вращается вокруг Солнца — так называемая плоскость эклиптики. Вместо этого орбита Луны наклонена к плоскости эклиптики примерно на пять градусов.

Наклон орбиты является причиной того, что у нас нет полных лунных затмений каждый месяц, и происходят они лишь в тех редких случаях, когда Земля, Луна и Солнце находятся на одной линии. Тем не менее, после гигантского столкновения, если Луна сформировалась из околопланетного диска или синестии, вполне логично ожидать то, что она должна вращаться в плоскости эклиптики. Так почему лунная орбита наклонена?

Теоретики из института SETI в Великобритании смогли объяснить как наклон лунной орбиты, так и продолжительность дня на Земле, создав новую модель того, как орбита Луны изменяется во времени. Гигантское столкновение могло произойти по касательной и «повалить» Протоземлю на бок, тем самым вызвав синестию с осью вращения, наклоненной близко к плоскости эклиптики. Луна сформировалась в плоскости экватора Земли, ее орбита также была наклонена по отношению к эклиптике. Со временем резонансные взаимодействия с Солнцем сделали ось вращения Земли более вертикальной, обеспечив 23-градусный наклон.

Вращение Земли замедлилось в этом процессе, и, чтобы это компенсировать, наша планета «отодвинулась» немного дальше от Солнца, чтобы сохранить угловой момент. Луна, в свою очередь, рассеивает свою орбитальную энергию, создавая приливы на Земле, тем самым медленно удаляясь от нашей планеты, благодаря чему постепенно ее наклон к эклиптике уменьшился до современного уровня. Таким образом, одно гигантское столкновение, создавшее наклоненную синестию, может объяснить многие ключевые динамические характеристики Земли и ее спутника.

Научное наследие Аполлона

Без образцов, собранных астронавтами Аполлона, мы могли бы быть удовлетворены неполной или даже ошибочной теорией о том, как была создана Луна. Проблема объяснения родственности Земли и Луны привела к открытию синестий. Теперь перед учеными стоит новая задача, которая заключается в дальнейшем понимании синестий и их роли в формировании планет.

Модель лунообразующей синестии может быть проверена путем более тщательного изучения химического и изотопного состава лунного грунта. Ученые все еще исследуют образцы, собранные в миссиях Аполлонов — полувековой прогресс в приборостроении позволяет извлекать более точные и подробные данные. Но эти образцы являются ограниченным ресурсом с огромными пробелами в охвате и полноте. Больше, чем когда-либо, нужны образцы из лунной мантии, чтобы построить точные химические модели объемного состава Луны.

Возвращение на Луну для получения образцов из мантии, которые можно найти внутри и рядом с большими ударными кратерами, позволит доказать или опровергнуть новую теорию. Между тем, материалы прямо здесь, на Земле, могут дополнительно прояснить происхождение Луны. Недавно было обнаружено, что самые глубокие области мантии Земли содержат следы материала, который пережил гигантское импактное воздействие, создавшее Луну. Какой бы процесс ни происходил на Луне, он не мог стереть эти химические записи. Объединив данные с Земли и Луны, ученые надеются собрать воедино наше представление о синестии, которая создала оба тела.

Помощь в понимании синестий также может прийти из-за пределов нашей Солнечной системы. До сих пор их видели только как математические объекты на экранах компьютеров, но, вполне возможно, они скоро перестанут быть чисто теоретическим понятием. Многие телескопы в космосе и на Земле смотрят на глубины космоса в поисках экзопланет, которые чаще всего обнаруживаются благодаря затмению собственных звезд.

Поскольку их формы сильно отличаются от сферических планет, затмения от синестий будут выглядеть иначе. Также у нас есть способ делать фотографии юных планет вокруг очень молодых звезд, которые все еще находятся в гигантской стадии формирования. Возможно, некоторые из этих снимков покажут пухлый светящийся пончик из расплавленного материала вместо планеты, что будет окончательным подтверждением синестической теории.

Источник