Психологические и финансовые проблемы образования Луны

Слипшиеся астероиды

Как возникла Луна, чудесным образом повисшая над нашими головами и до сих пор не упавшая вниз? Над этим вопросом люди задумывались тысячи лет, но только последние полвека предлагаемые теории стали научными, а не фантастическими. В 1975 году доктор наук Евгения Рускол, представитель советской школы планетологов Шмидта — Сафронова и жена Виктора Сафронова, выпустила книгу "Образование Луны", в которой была развита концепция возникновения Луны из мелких астероидов. По мнению Рускол, астероиды пролетали возле Земли, взаимно соударялись и как результат образовали плоский диск вокруг нашей планеты, похожий на кольца Сатурна. Вещество этого диска позже собралось — или аккрецировало, как говорят планетологи, — в единый комок, который и стал Луной.

У модели аккреционного образования было три серьёзных недостатка: такой диск был слишком маломассивным, чтобы объяснить образование тяжёлой Луны (1,2 процента от массы Земли); угловой момент у системы Земля — Луна оказался бы меньше наблюдаемого; химический же состав такой "аккреционной" Луны должен быть близок к метеоритному. тогда как образцы лунного грунта, привезённые американскими экспедициями "Аполлона" и советскими автоматами, показывали, что на Луне гораздо меньше железа, чем в метеоритах, и примерно настолько же мало, как в мантии Земли, откуда тяжёлое железо выплавилось и опустилось к центру планеты, образовав железное ядро.

Столкновение планет

Для объяснения химического состава Луны, а также её большой массы и углового момента, американцы Билл Хартманн и Дональдс Дэвис в том же 1975 году выдвинули смелую теорию мегаимпакта, по которой 4,5 миллиарда лет назад на Землю налетела огромная планета (Тея, как назвали её впоследствии) размером с Марс. В результате этого суперудара часть обломков вышла на орбиту вокруг Земли и стала Луной. Основную часть своей массы Луна получила из этого тела. Гигантское соударение будоражило воображение как самого Билла Хартманна, талантливого космического художника, так и широкой публики, воспитанной на голливудских фильмах-катастрофах.

Модель мегаимпакта быстро стала доминирующей в американской теоретической планетологии, как и теория инфляции в космологии или теория струн в квантовой физике.

Произошло это по одной простой причине. В Средние века горничные и садовники беспрекословно повиновались своим хозяевам из-за того, что без их хорошей рекомендации другое место найти было невозможно. Так же и современный теоретик может получить работу, только представив от 3 до 7 положительных рекомендаций. Но иметь много друзей — этого мало для выживания нынешних учёных, надо ещё не иметь никаких врагов. Ведь научные гранты в США распределяются на так называемой панели с помощью демократического голосования группы видных учёных. Хоть один негативный голос и денег не будет, впору идти на другую панель. Это на корню уничтожает любые ростки теорий, которые противоречат общепринятым представлениям.

Мегаимпакт трещит по швам

Поэтому против теории мегаимпакта выступили не теоретики, а экспериментаторы-геохимики (их возражения суммированы в статье Дж. Джонса и Х. Пальме, вышедшей в 2000 году в известном Аризонском сборнике по образованию Луны). Они показали, что модель мегаимпакта категорически противоречит геохимии. Например, мегаимпакт должен был расплавить как Луну, так и Землю, превратив их поверхность в океан жидкой магмы. Но геохимические данные отвергают наличие лавового океана на Земле и Луне. Или же современная мантия Земли дифференцирована заметно слабее, чем было бы при существовании древнего океана расплавленной магмы. Но критика космохимиков была проигнорирована. Как нередко случается, если факты противоречат современным теориям, то тем хуже для фактов.

Модель мегаимпакта усложнила и проблему происхождения земных океанов. Если не спеша собрать Луну и Землю из астероидов, то в них окажется достаточно много воды, чтобы наполнить земные моря. Но если создавать нашу планету мегаимпактом, то с водой будет беда. Как отметили американские астрономы Д. Джуитт и Э. Юнг в 2015 году: "Энергия этого глобального удара сметает большую часть атмосферы, мгновенно испаряет любые водные океаны и создаёт океан магмы глубиной в сотни километров. Независимо от того, образовалась Земля влажной или сухой, сокрушительное воздействие удара, сформировавшего Луну, должно было очистить Землю от практически всей первичной воды".

Испарив земные океаны мегаимпактом, астрономы начали безуспешно ломать головы над механизмом постимпактной доставки воды на Землю, но придуманные теории (падение комет) противоречат данным по изотопному составу нынешних океанов.

Космохимики не успокоились и показали, что кислород, входящий в состав лунных минералов, практически точно совпадает по изотопному составу с кислородом в земном веществе. Это опровергает результат теории мегаимпакта, по которой 60—80 процентов массы Луны пришло из Теи, у которой должен быть свой, совершенно различный изотопный состав.

Новые модели

Для объяснения изотопного равенства Луны и Земли, сторонники мегаимпактной теории стали исследовать ещё более катастрофические модели, в которых масса Теи выросла до массы Земли. В сценарии лобового столкновения двух равных планет, часть вещества испаряется и образует общую газовую оболочку вокруг Земли и Луны, в которой все изотопы хорошо перемешиваются. Это выглядело не очень убедительно даже для кислорода и совсем стало странно, когда неугомонные космохимики доказали изотопное равенство титана с Луны и Земли. Но сторонники мегаимпакта привыкли к экстремальным условиям — они придумали титановую атмосферу, обнимающую обе планеты! В моделях столкновения двух одинаковых планет обострилась и старая проблема отсутствия признаков расплавления Земли.

Калифорнийские исследователи Матия Чук и Сара Стюарт в 2012 году опубликовали в Science статью, где двинулись в обратном направлении и рассмотрели ударницу-Тею с массой всего лишь в 0,5—10,0 процентов от земной. Этим они решили изотопную проблему: при менее катастрофических соударениях Луна образуется в основном из вещества Земли, а не Теи. Но при уменьшении массы ударника снова вынырнула старая проблема дефицита углового момента системы Луна — Земля. Чук и Стюарт попытались её преодолеть предположением очень быстрого — в 10 раз быстрее, чем сейчас — вращения Земли до мегаимпакта.

Тут в головы даже самых твёрдых сторонников этой теории стало проникать понимание, что она не работает так, как надо. Королевское астрономическое общество созвало специальный симпозиум в Лондоне 23—24 сентября 2013 года для обсуждения проблем теории мегаимпакта. Статья в журнале Science, посвящённая этой встрече, называлась "Импактная теория измоталась" (Impact theory gets whacked).

31 октября 2016 года Чук и Стюарт опубликовали вместе с Дугласом Гамильтоном из Мэрилендского университета и Симоном Локом из Гарварда, статью в Nature, где продолжили развитие модели быстровращающейся (в сутках 2,5 часа) протоземли и небольшой Тейи. Для совпадения с нынешними параметрами системы Земля — Луна, авторы положили протоземлю набок (на 70 градусов), прежде чем шарахнуть по ней Тейей. После чего с помощью солнечных резонансов орбиту Луны довели до настоящих 5 градусов наклона к экватору Земли.

Так как катастрофические модели имеют много свободных параметров, то их вариантов можно создать немало. Трудно расценить эту работу в Nature как прорывную ещё и потому, что, сфокусировавшись на проблемах наклона лунной орбиты и прочих динамических параметрах, авторы новой модификации старой модели мегаимпакта по-прежнему игнорируют факт отсутствия океанов магмы на Луне и Земле, проблему мегаимпактного испарения земных океанов, наличие которых на нашей планете оспорить непросто, и множество других геохимических и динамических проблем этой теории.

Одна из сотен лун

Самая главная причина, по которой теорию мегаимпакта трудно считать удовлетворительной, — это её моральная устарелость. Эта катастрофическая модель уникального удара была создана для объяснения уникальной Луны, в 70-х годах самого массивного спутника Солнечной системы (речь идёт об относительной массе). Но за прошедшие 50 лет выяснилось, что ничего уникального в Луне нет, если не считать того, что она светит земным поэтам и влюблённым. Так, Харон, спутник Плутона, открытый в 1978 году, имеет относительную массу в 12 процентов от карликовой планеты.

С конца 80-х годов началась эпоха открытия спутников у астероидов, и сейчас их найдено почти 300 штук — с относительной массой до единицы. Изучение всего массива спутников Солнечной системы показывает, что Луна с Землёй — это лишь точка в середине распределения спутников у планет с твёрдой поверхностью. Около 15 процентов астероидов, даже самых небольших, имеют спутники, которые явно образованы не в ходе катастрофы, а с помощью регулярного, часто реализуемого механизма. Теория мегаимпакта, плотно завязанная на сильную гравитацию массивной Земли, таким механизмом явно не является. Абсолютно непонятно, почему для всего массива спутников твёрдых планет работает некатастрофический механизм, а для одной, ничем не исключительной системы — особенный сценарий мегаимпакта.

Новый взгляд

За последние годы три группы планетологов — из Крымской астрофизической обсерватории (основная работа опубликована в Известиях КрАО в 2007 году), из московской космогонической команды Сафронова — Рускол — Витязева — Печерниковой (статья из сборника за 2014 год), а также израильская команда Руфу — Ааронсона из Вейцмановского института (статья A multiple impact hypothesis for Moon formation) в трудах Аризонской лунно-планетной конференции за 2015) — независимо друг от друга выдвинули модель, по которой творение Луны было вызвано не одним мегаимпактом, а многими ударами гораздо меньших тел с радиусом от 10 до 1000 километров. Согласно расчётам московских специалистов, максимальный размер падающих тел на Землю не превосходил одного процента от массы голубой планеты, то есть был "лунных", а не "марсианских" масштабов. Это сразу делает модель мегаимпакта нереалистичной.

Спутники твёрдых планет и сама Луна являются самоорганизующимися структурами, которые вырастают, питаясь улетающими с поверхности планеты обломками. Наличие диска вокруг Земли (такие диски открыты и возле астероидов-центавров Харикло и Хирона) помогает выводу на стабильную орбиту выброшенного вещества. Достаточно создать совсем небольшой диск вокруг планеты или астероида, как он начинает эффективно перехватывать вылетающие с планеты обломки, причем сортируя их: обратные (по отношению к вращению диска и планеты) частицы сбрасываются на планету, а прямые захватываются в диск, увеличивая его массу. Расчёты показывают, что в результате даже изотропного (одинакового со всех направлений) обстрела планеты астероидами вокруг неё вырастает прямой диск, то есть вращающийся в том же направлении, что и сама планета. 

Мультиимпактная модель не требует расплавления Земли и маловероятного уникального соударения. В такой модели океаны на Земле сохраняются, а изотопный состав Луны совпадает с составом земной мантии. Мультиимпактная модель соединяет в себе наиболее важные и достоверные моменты теории мегаимпакта (выброс вещества земной мантии в космос при соударении с крупным телом) и аккреционной модели (существование долгоживущего протоспутникового диска), одновременно избавляясь от трудностей обеих концепций.

К сожалению, в американской теоретической планетологии нереально рассматривать альтернативные теории происхождения Луны по психологическим, или точнее — по финансовым причинам. В статье в Nature авторы называют модель мегаимпакта "канонической". Обратим внимание, что все альтернативные модели образования Луны возникли не в США. Пока американские исследователи не преодолели ступор мегаимпакта, для российских молодых учёных открывается прекрасная возможность поработать над актуальной проблемой образования Луны не просто на мировом уровне, а с его опережением.