Луна могла сформироваться целой за несколько часов после столкновения с Тейей

Земля обладает необычно крупной Луной по сравнению с другими каменистыми планетами Солнечной системы, но учёные до сих пор не полностью понимают механизм её формирования. Новое исследование учёных из Юго-западного научно-исследовательского института и Университета Аризоны предполагает, что один долгое время упускаемый фактор мог сыграть ключевую роль в рождении Луны: физическая прочность столкнувшихся тел.

Новый подход к древнему столкновению

Исследователи использовали продвинутые компьютерные симуляции для изучения огромного удара, произошедшего, по предположениям, около 4,5 миллиарда лет назад между молодой Землёй и объектом размером с Марс — Тейей. Результаты, опубликованные в журнале The Astrophysical Journal Letters, показали резко различающиеся исходы в зависимости от температуры и структурных свойств обоих тел.

Ключевое отличие новой работы в том, что симуляции впервые учитывают материальную прочность древних миров. Как отметила Адин Дентон, бывший постдок Лунной и планетной лаборатории, ныне работающая в Юго-западном научно-исследовательском институте: «Когда вы моделируете столкновение Земли и Луны как тела с геологическими свойствами, это меняет то, как Луна формируется из этого удара — ранее мы считали это ненужным».

От жидкостей к твёрдым телам

Ведущее объяснение происхождения Луны — сценарий гигантского удара. Согласно этой идее, объект размером с Марс столкнулся с ранней Землёй, разрушил Тейю и отправил её остатки на орбиту вокруг Земли, создав диск обломков, который со временем собрался в Луну.

Фундаментальное исследование 2001 года, возглавленное Робином Канап из Юго-западного научно-исследовательского института, вместе со многими более поздними моделями не учитывало материальную прочность. Учёные предполагали, что столкновение было настолько энергичным, что скальные тела можно было эффективно рассматривать как жидкости.

Дентон и её коллеги решили проверить, оправдано ли это предположение. Используя современные вычислительные методы, они впервые внедрили температурозависимую геологическую прочность в симуляции формирования Луны. Как объяснил Эрик Асфауг, профессор Лунной и планетной лаборатории и соавтор нового исследования: «Поскольку столкновение считалось достаточно мощным, чтобы расплавить и испарить большие части Земли и Тейи, предыдущие работы предполагали, что их можно аппроксимировать как жидкости. Однако на основе наших новых результатов мы думаем, что пришло время пересмотреть это».

Температура как ключевой фактор

Исследователи использовали продвинутую форму симуляций сглаженной гидродинамики частиц (SPH), которая учитывает структурную прочность объектов вместо того, чтобы рассматривать их как полностью жидкие. Температура оказалась особенно важной: более горячие небесные тела механически слабее холодных, и симуляции показали, что эта разница может драматически повлиять на то, что происходит после удара.

При одних условиях столкновение разрушает Тейю и создаёт широкий протолунный диск вокруг Земли, из которого материал постепенно собирается в Луну. Но другие симуляции дали гораздо более драматичный результат: вместо медленного формирования из обломков полностью целая Луна появилась всего за несколько часов.

Связь между временем и способом формирования

Поскольку молодые протопланеты обычно начинают горячими и постепенно охлаждаются с возрастом, этот результат создаёт потенциально важную связь между временем гигантского удара и способом первоначального формирования Луны. Как пояснила Дентон: «В зависимости от того, насколько горячими были Земля и Луна до столкновения, удар может разрушить Тейю и произвести этот массивный диск обломков, который в конечном итоге образует Луну. Но когда мы использовали те же параметры, что и исходное моделирование удара — вплоть до одинаковых температурных структур внутри обоих тел — примерно за пять часов появилась целая луна».

Хотя предыдущие симуляции также производили целые луны, новая работа — первая, демонстрирующая, что материальная прочность и температура могут быть центральными в определении того, формируется ли Луна в основном целой или постепенно собирается из переработанных обломков в протолунном диске.

Новые подсказки о происхождении

Открытия потенциально могут связать нынешние свойства Луны, включая, возможно, её содержание летучих веществ, с физическим состоянием Земли и Тейи миллиарды лет назад. Это, в свою очередь, может помочь учёным лучше определить, когда произошло событие формирования Луны.

Земля и Луна имеют примечательно схожий состав — проблему, которую модели гигантского удара долгое время не могли полностью объяснить. Как отметила Дентон: «Поскольку Земля и Марс сформировались в одном районе Солнечной системы, они как братья и сёстры. Луна и Земля больше похожи на однояйцевых близнецов». Одна из возможностей — что Тейя и протоземля сформировались из материала одного региона ранней Солнечной системы, тогда как Марс, чей состав отличается от Земли и Луны, мог сформироваться дальше.

Показав, что внутреннее состояние Земли и Тейи могло сильно влиять на последствия их столкновения, исследование даёт учёным новый способ исследования одной из величайших тайн планетарной науки.

Это данные исследования, а не медицинский совет.