Луна образовалась чуть позже, чем предполагалось ранее. Когда протопланета размером с Марс была уничтожена в результате столкновения с молодой Землей, из обломков, выброшенных во время этого столкновения, было создано новое тело, ставшее Луной.

Планетарные геофизики из Германского аэрокосмического центра (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt; DLR), возглавляемого Максимом Морисом, вместе с исследователями из Мюнстерского университета, использовали новую числовую модель для реконструкции времени, когда это событие произошло 4,425 миллиарда лет назад.

Предыдущие предположения об образовании Луны основывались на возрасте 4,51 миллиарда лет, что на 85 миллионов лет раньше, чем показывают новые расчеты. Ученые сообщили о своих выводах в журнале “Достижения науки”.

Четыре с половиной миллиарда лет назад Солнечная система все еще была хаотичной. Земля все еще росла до нынешних размеров, собирая материю в виде так называемых планетезималов.

Ранее они формировались в диске из пыли и газа, вращающихся по орбите на раннем Солнце. Молодая Земля консолидировалась, становясь все более горячей внутри. Большая часть скалистой мантии все больше расплавлялась и образовывала океан магмы.

Именно в это время Земля приобрела естественный спутник, который продолжает вращаться вокруг нее и по сей день. Массивное космическое столкновение между Землей и протопланетным спутником выбросило скальную породу с молодой Земли. В конце концов, этот мусор скопился и сформировал новое планетарное тело – Луну.

В принципе, большинство ученых сходятся во мнении о том, как сформировалась Луна, но не о деталях этого процесса, а тем более о времени, в которое он произошел.

“Результаты нашего последнего моделирования позволяют предположить, что молодая Земля была поражена протопланетой примерно через 140 миллионов лет после рождения Солнечной системы 4,567 миллиарда лет назад”, – говорит Максим Морис, подводя итоги исследований команды.

“По нашим подсчетам, это произошло 4.425 миллиардов лет назад, с неопределенностью в 25 миллионов лет, и Луна родилась”.

В то время Земля только что превратилась в планету. Во время этого развития тяжелые металлические компоненты опустились к ее центру и образовали ядро из железа и никеля, которое было окружено толстой мантией силикатных пород. Мантийные породы нагревались все больше из-за процесса аккреции и распада радиоактивных элементов. Это позволило разделить металлы и силикаты в недрах Земли в течение нескольких десятков миллионов лет.

Исследователи установили более молодой возраст для земной Луны.
Магма-океан и первая скалистая кора на Луне. НАСА/Центр космических полетов “Годдард”

Тейя вызвала образование луны…

На этом этапе Земля была поражена Тейей, протопланетой, которая, возможно, была размером с Марс. Тейя была одним из Титанов в греческой мифологии, и матерью богини Луны Селены. В первые дни существования Солнечной системы было бы много таких тел. Некоторые из них были изгнаны из Солнечной системы, другие были уничтожены в результате столкновений с другими телами.

Однако Тейя ударила по Земле и вызвала выброс из мантии планеты такого большого количества материала, что Луна смогла сформироваться из нее. Во время этого сильного удара образовался магматический океан глубиной в несколько тысяч километров. Сегодня после этого столкновения не осталось никаких следов Тейи.

Реконструкция того, как образование Луны было вызвано этим событием, требует большого воображения и творчества. Столкновение двух тел с их огромной энергией также испарило большое количество горной породы из ранней мантии Земли.

Оно было выброшено и собрано в кольцо пыли вокруг Земли, прежде чем вновь собраться там и сформировать породу. “От этого Луна образовалась за короткое время, возможно, всего за несколько тысяч лет”, – объясняет Дорис Брейер, руководитель отдела планетарной физики Института планетарных исследований DLR и один из соавторов исследования.

Самая старая лунная порода недостаточно взрослая.

Ученые в основном согласны с историей формирования Луны. Однако они не смогли точно датировать ее, так как ни одна из лунных пород, принесенных на Землю астронавтами шести полетов “Аполлона” и трех советских роботов “Луна”, не фиксирует возраст естественного спутника Земли.

Исследователи из ДЛР и Мюнстерского университета определили, когда была сформирована Луна, используя новый, непрямой метод. “Наши расчеты показывают, что это, скорее всего, произошло в самом конце формирования Земли”, – говорит Сабрина Швингер, другой соавтор исследования, описывая хронологическую последовательность событий.

Не только на Земле в ранней молодости был океан магмы. Энергия, полученная от аккреции, также привела к образованию на Луне океана магмы. Луна почти полностью расплавилась и, как и Земля, была покрыта океаном магмы глубиной более 1000 километров.

Исследователи установили более молодой возраст для земной Луны.
Одна из старейших лунных пород. NASA/JSC/AACO

Этот магматический океан быстро начал затвердевать и образовал на поверхности – на “границе раздела” с холодным пространством – кору из плавающих, легких кристаллов. Но под этой изолирующей корой, замедлявшей дальнейшее охлаждение и застывание магматического океана, Луна долгое время оставалась расплавленной.

До сих пор ученые не могли определить, сколько времени понадобилось, чтобы магма-океан полностью закристаллизовался, поэтому они не могли сделать вывод о том, когда же Луна изначально сформировалась.

Для расчета времени жизни лунного магматического океана ученые использовали новую компьютерную модель, которая впервые всесторонне рассмотрела процессы, связанные с застыванием магмы. “Результаты модели показывают, что лунный магматический океан был долгоживущим и потребовал почти 200 миллионов лет, чтобы полностью застыть в мантийной породе”, – говорит Максим Морис.

“Шкала времени намного больше, чем рассчитано в предыдущих исследованиях”, – добавляет коллега из DLR Никола Тоси (Nicola Tosi), второй автор исследования и советник докторской диссертации Максима Мориса, на основе которой был составлен этот конденсированный научный доклад. “Старые модели дали период затвердевания всего 35 миллионов лет”.

Модели затвердевания показывают возраст Луны и Земли.

Чтобы определить возраст Луны, ученым пришлось пойти на один шаг дальше. Они рассчитали, как со временем менялся состав богатых магнием и железом силикатных минералов, образовавшихся при затвердевании магматического океана. По мере развития процесса затвердевания исследователи обнаружили резкое изменение в составе оставшегося магматического океана.

Это открытие имеет важное значение, так как позволило авторам связать образование различных типов пород на Луне с определенным этапом эволюции ее магматического океана. “Сравнивая измеренный состав лунных пород с предсказанным составом магматического океана по нашей модели, мы смогли проследить эволюцию океана до его исходной точки – времени образования Луны”, – объясняет Сабрина Швингер.

Результаты исследования показывают, что Луна образовалась 4,425 ± 0,025 миллиардов лет назад. Точный возраст Луны находится в примечательном согласии с возрастом, ранее определенным для формирования металлического ядра Земли методом урана, – точкой, в которой завершено формирование планеты Земля.

“Впервые возраст Луны может быть напрямую связан с событием, произошедшим в самом конце формирования Земли, а именно с формированием ядра”, – говорит Торстен Кляйне из Института планетарной педагогики Мюнстерского университета.