Новое моделирование, проведённое специалистами Юго-Западного исследовательского института (SwRI) и Аризонского университета, показало, что Луна могла сформироваться практически сразу после столкновения Земли с крупным небесным телом. Работа опубликована в журнале The Astrophysical Journal Letters. В отличие от прежних реконструкций, авторы впервые учли прочностные свойства материалов обоих сталкивающихся объектов.
Согласно гипотезе гигантского столкновения, около 4,5 миллиарда лет назад молодая Земля столкнулась с телом размером с Марс, известным как Тейя. В результате удара Тейя разрушилась, а её вещество образовало вокруг Земли диск, из которого впоследствии собралась Луна. Основы этой модели заложило исследование 2001 года, выполненное Робин Кануп, вице-президентом отдела наук о Солнечной системе и её исследованиях SwRI в Боулдере, и Эриком Аспхогом, профессором Лунной и планетарной лаборатории и соавтором новой работы.
«Мы обнаружили, что существовавшая до столкновения геология протолуны размером с Марс имеет значение, — приводит слова Адин Дентон, бывшей постдокторантки Лунной и планетарной лаборатории, а ныне сотрудницы SwRI, SciTechDaily. — Когда вы моделируете Землю и Луну как сталкивающиеся тела с геологическими свойствами, это меняет то, как Луна формируется в результате удара, — раньше мы считали это ненужным».
Для пересмотра сценария Дентон применила усовершенствованный метод моделирования гидродинамики сглаженных частиц (SPH), учитывающий структурную прочность объектов. Этот подход, разработанный в Аризонском университете и Бернском университете в Швейцарии, позволяет имитируемым планетным телам сопротивляться деформации так, как это свойственно реальным геологическим материалам, включая породы и металлы, из которых состояли Тейя и протоземля, или твёрдый лёд. Как пояснил Аспхог, прежде столкновение считалось достаточно жестоким, чтобы расплавить и испарить значительные части Земли и Тейи, поэтому в прежних работах их допускалось приближённо описывать как жидкости. «Основываясь на наших новых результатах, мы думаем, что пришло время пересмотреть это», — отметил он.
Особенно важной оказалась температура: более горячие планеты слабее холодных, и моделирование показало, что тепловое состояние Земли и Тейи способно кардинально изменить исход их столкновения. В одних сценариях Тейя разрушается, а её вещество образует протолунный диск, из которого Луна собирается постепенно. В других условиях уже примерно через пять часов после удара возникает полностью сформировавшаяся Луна. «В зависимости от того, насколько горячи Земля и Луна перед столкновением, удар может уничтожить Тейю и создать этот массивный диск обломков, который в конечном итоге формирует Луну, — сказала Дентон. — Но когда мы использовали те же параметры, что и в исходном моделировании удара, вплоть до одинаковых температурных структур внутри обоих тел, примерно в течение пяти часов появилась целая Луна».
Хотя прежние симуляции тоже давали целую Луну, новая работа первой демонстрирует, что температура и прочность материала могут решающим образом определять, возникнет ли спутник сразу или сформируется позже из вещества протолунного диска. «Эти удивительные и захватывающие новые результаты подразумевают потенциальную связь между физическими свойствами Луны сегодня, включая, возможно, её содержание летучих веществ, и тепловым состоянием Земли и Тейи во время гигантского столкновения, — сказала Кануп, не участвовавшая в исследовании. — Это, в свою очередь, может помочь учёным лучше ограничить время, когда произошло событие, сформировавшее Луну».
Тем не менее новое моделирование не решает всех загадок происхождения Луны. Одной из давних проблем остаётся заметное сходство материалов, из которых состоят Земля и Луна, и объяснение этой композиционной близости по-прежнему открыто. «Поскольку Земля и Марс формировались по соседству в Солнечной системе, они как братья, — сказала Дентон. — Луна и Земля больше похожи на разнояйцевых близнецов». Одна из возможностей состоит в том, что Тейя и протоземля возникли в одном регионе Солнечной системы и потому сформировались из похожего материала, тогда как Марс, чей состав отличается и от земного, и от лунного, мог развиваться дальше. «Теперь мы знаем, что геофизическое состояние Земли и Тейи играет фундаментальную роль в формировании исхода столкновения, — сказал соавтор исследования Намья Байджал, докторант группы Аспхога. — Это даёт нам новый способ изучать условия удара и то, что они могут рассказать о происхождении Луны».