Луна и поверхность Земли образовались из сверхкритической жидкости

Американские учёные разработали новую методику определения концентрации изотопов калия и на её основе создали экзотическую теорию образования Луны, ранее никогда не рассматривавшуюся научным сообществом. Соответствующая статья опубликована в журнале Nature.

C 1970-х годов принято считать, что Луна образовалась, когда 4,5 миллиарда лет назад гипотетическая планета размером с Марс (Тейя) ударила в прото-Землю. Однако последние 15 лет ряд данных плохо стыкуется с этой идеей. Почти любая модель такого столкновения показывает, что Луна не менее чем на 60 процентов должна образоваться из Тейи. Но анализ состава лунного грунта — как советского, так и американского — указал на то, что там то же соотношение изотопов кислорода, что и на Земле. Известно также, что химический состав планет, образовавшихся в разных регионах Солнечной системы, должен различаться. Американские марсоходы фиксируют, что изотопный состав для Марса совсем не такой, как для Земли.

Чтобы объяснить это противоречие, в 2015 году была предложена новая модель, согласно которой столкновение тел было "лобовым" и настолько мощным, что основная часть обеих планет от нагрева испарилась. Горные породы стали газом, однако его температура была так высока, что вместо силикатной атмосферы над ядром планеты возник сплошной покров силикатной сверхкритической жидкости. Так называют состояние вещества, когда температура и давление в нём выше критической точки. Из-за этого ему одновременно присущи свойства как газа, так и жидкости. Например, сверхкритическая жидкость легко проникает сквозь препятствия как газ, но при этом растворяет твёрдые тела, как жидкость.

В такой среде материя Тейи и прото-Земли могла быстро смешаться и стать химически однородной за короткое время. У гипотезы было два основных недостатка. Во-первых, если это было так, её, на первый взгляд, было невозможно ни опровергнуть, ни убедительно доказать. Ведь состав Земли и Луны тогда был бы одинаковым. Во-вторых, сценарий получался слишком экзотическим. Он требовал испарения основной части нашей планеты после удара и её увеличения в объёме в 500 раз. Диаметр планеты тогда мог достигать 100 000 километров (почти как у Сатурна). Это примерно в восемь раз больше, чем сегодня, и больше похоже на газовую планету-гиганта, чем на известную нам Землю.

Однако теперь учёные из США, создав более точный метод анализа для изотопов калия, установили, что в лунных породах калия-41 чуть больше, чем в земных (на 4 десятитысячных доли). Единственный сценарий, который может корректно объяснить такое различие, — разная скорость конденсации калия-41 из облака горячего пара. Внешние слои вздувшейся после удара прото-Земли оказались бы в десятках тысячах километров от её центра и начали охлаждаться раньше. По мере остывания более тяжёлый калий-41 осаждался во внешних слоях интенсивнее, чем во внутренних. Поскольку внешние слои позже стали Луной, а внутренние стали нынешней Землёй, на спутнике калия-41 естественным образом оказалось чуть больше, чем на нашей планете.

Если бы этот процесс шёл в вакууме, он дал бы большую разницу по концентрации калия-41. Поскольку различия всё же довольно малы, расчёты показывают, что конденсация калия-41 в веществе будущей Луны шла при давлении в 10 атмосфер. Это довольно большая величина, которая указывает на то, что гипотеза испарения прото-Земли после столкновения с Тейей, скорее всего, верна. Как ни трудно было бы это себе представить сегодня, в районе формирования будущей Луны существовала сверхкритическая жидкость из испарившихся твёрдых пород нашей планеты. Со временем она постепенно кристаллизировалась в породы современной Луны. А остальные "излишки" вещества осели обратно на нашу планету, образовав её внешние слои.