Учёные выяснили происхождение Луны

Около 4,5 млрд лет назад с молодой Землёй столкнулось крупное небесное тело — протопланета Тейя. Этот удар изменил размер и орбиту нашей планеты и привёл к рождению Луны. Но откуда прилетела Тейя, какова была её природа и чем она отличалась от Земли, до сих пор оставалось неясно.

Новая работа международной команды под руководством Института Макса Планка исследования Солнечной системы и Чикагского университета предлагает ответ: Тейя, судя по всему, сформировалась во внутренней части Солнечной системы и была «соседкой» Земли по орбите.

Учёные исходили из того, что состав небесного тела хранит в себе историю его формирования, включая область рождения. Особую роль играют соотношения изотопов — разновидностей одного и того же элемента с разным числом нейтронов в ядре. В ранней Солнечной системе изотопы распределялись неравномерно: ближе к Солнцу их пропорции отличались от тех, что характерны для внешних областей.

Команда измерила с беспрецедентной точностью соотношения изотопов железа в породах Земли и Луны. Для этого они исследовали 15 земных образцов и шесть лунных, доставленных астронавтами миссий «Аполлон». Результат подтвердил прежние данные по хрому, кальцию, титану и цирконию: по изотопному составу Земля и Луна практически неотличимы.

Однако одно сходство ещё не говорит прямо, какой была Тейя: возможны разные сценарии — от Луны, почти полностью сложенной из вещества Тейи, до вариантов, где смесь пород Земли и Тейи тесно перемешана.

Чтобы обойти эту неопределённость, исследователи пошли путём «обратного инжиниринга» планет. Зная конечный результат — совпадающие изотопные пропорции в земных и лунных породах, — они просчитали, какими могли быть состав и размеры Тейи и ранней Земли, чтобы в итоге прийти к наблюдаемой картине.

Они рассмотрели не только железо, но и изотопы хрома, молибдена и циркония, которые «записывают» разные этапы формирования планеты. Ещё до столкновения с Тейей внутри молодой Земли шёл процесс разделения на ядро и мантию: железо и молибден уходили в металлическое ядро, тогда как, например, цирконий оставался в силикатной мантии и фиксировал более раннюю историю роста планеты. Железо, которое сегодня есть в мантии Земли, по расчётам, должно было поступить уже после образования ядра — в том числе вместе с Тейей.

Сопоставив все эти данные, учёные перебрали множество математически возможных комбинаций состава ранней Земли и Тейи — и отбросили те, что не согласуются с наблюдениями.

Наиболее убедительный сценарий, по словам ведущего автора работы Тимо Хоппа, таков: основная часть строительного материала и Земли, и Тейи происходила из внутренней части Солнечной системы. Иными словами, эти тела формировались на близких орбитах — были соседями.

Состав ранней Земли хорошо описывается смесью известных классов метеоритов, которые считаются обломками древних тел из разных зон протопланетного диска. А вот для Тейи простой комбинации из уже известных метеоритных «рецептов» не хватает. Моделирование показывает, что в её составе, вероятно, было вещество, сформировавшееся ещё ближе к Солнцу, чем орбита Земли.

Это означает, что Тейя могла родиться во внутренней части системы, мигрировать к орбите Земли и в итоге столкнуться с ней, породив Луну.