Российский физик предсказал Луне вечную мерзлоту толщиной в километр

Российский физик Николай Горькавый, живущий и работающий в США, опубликовал новую формально обзорную работу, которая, однако, содержит нетипичные для обзорных работ принципиально новые выводы. В ней он рассматривает существующие гипотезы образования Луны и то, каким образом из них вытекает ряд особенностей как земного спутника, так и других тел, образовавшихся по сходным механизмам. Он отмечает, что если мультимпактная теория образования Луны верна, ее будет достаточно просто проверить изучением изотопного состава лунной воды. Кроме того, в этом случае Селена оказывается настолько богата водным льдом, что он там будет образовывать мощную вечную мерзлоту, залегающую на глубине вплоть до километра. Статья об этом опубликована в одном из первых номеров нового рецензируемого научного журнала Earth and Planetary Science, также она доступна на сервере препринтов Корнелльского университета.

Луна образовалась как Земля и другие планеты — или, напротив, из-за гибели планеты?

Обзор затрагивает три основные теории образования Луны. Он начинается с аккреционной гипотезы Е. Л. Рускол (сформировалась к 1970-м). По ней Селена образовалась сходно с планетами — соударением и последующим «слипанием» на орбите вокруг Земли. Источником формирования была пыль, захваченная гравитацией Земли и типичная для внутренних областей ранней Солнечной системы. Однако при таком сценарии плотность Луны и содержание в ней тяжелых элементов должно быть сходным с земными.

На практике, как стало окончательно ясно после полетов туда американских астронавтов, ее плотность на 40 процентов ниже земной, а содержание окислов железа почти в два с половиной раза меньше. К тому же расчеты показывали, что по аккреционному сценарию не может сформироваться спутник массой более 0,001 земной. А Луна массивнее 0,01 от той же величины.

После программы «Аполлон» на передний план вышла гипотеза без этих недостатков — мегаимпактная, сформулированная в окончательном виде Хартманном и Дэвисом в 1975 году. По ней крупное тело (более тысячи километров), другая планета, столкнулась с ранней Землей на значительной скорости. Выбитые при этом фрагменты коры и верхней части мантии Земли могли иметь уже достаточно большую массу, чтобы образовать Луну. К тому же, верхние слои планеты содержат в пять раз меньше окислов железа, чем вся она в целом — это казалось хорошим объяснением дефицита тяжелых элементов типа железа на Луне (и ее итоговой низкой плотности).

Наконец, энергия от удара тела подобных размеров огромна: выброшенные в космос фрагменты Земли должны были быть нагреты до полной потери воды. Зато в лунном материале должно было сохраниться много тугоплавких элементов. Это тоже казалось близким к истине: американские космонавты высадились в низких широтах Луны, поэтому однозначных данных о большом содержании воды в местных породах они не получили. Более поздние расчеты других ученых показали, что для такого события нужно было тело много крупнее, чем считали Хартманн и Дэвис, — планета, размером с Марс, которую назвали Тейя.

Далее, отмечает Горькавый, накопление новых данных начало создавать существенные проблемы для гипотезы мегаимпакта (то есть колоссального по масштабам столкновения с другой планетой). Оказалось, что ядро Луны не должно быть моложе Земли. Однако это несовместимо с гипотезой о ее образовании от столкновения с другой планетой. Более того: ни на Селене, ни на Земле не получается выстроить геологическую историю, если предположить, что их поверхности были полностью расплавлены.

Например, на нашей планете дифференциация по тяжелым элементам в мантии ниже, чем должна быть при расплавленной поверхности. Ведь расплавление облегчало бы уход вниз, в нижние слои мантии, тяжелых элементов и обеднение ими верхних слоев, чего на практике в таких объемах не наблюдается. Кроме того, оказалось, что поверхность Луны содержит легкие элементы, которые должны были полностью испариться при мегаимпакте.

Селена возникла как спутники астероидов?

В 2004 году сам автор обзора выдвинул принципиально иную гипотезу для объяснения как происхождения Луны, так и такого необычного явления, как спутники астероидов. Последние тоже имеют очень высокое соотношение массы спутника к телу-хозяину, причем объяснить это было еще сложнее, чем земную Луну. Дело не только в том, что аккреционный сценарий не позволяет создавать массивные спутники: сценарий мегаимпакта тут тоже не годился, поскольку вторая космическая скорость для астероидов ничтожна, и после столкновения с крупным телом выбитые им осколки, как и остатки самого тела, должны вылетать из окрестностей астероида, а никак не формировать там крупные спутники.

Исходя из этого, а также из открытия Харона (тоже спутник, очень крупный относительно тела-хозяина Плутона), Горькавый предложил теорию мультимпакта, то есть образования Селены посредством множества ударов сравнительно мелких тел, от одного до 100 километров диаметром. Как отмечается, сразу после образования планеты, вокруг нее должен был быть крайне небольшой по массе аккреционный диск. Выбиваемые из Земли астероидами обломки, имеющие то же направления вращения, что и наша планета, ударялись о тела первичного аккреционного околоземного диска и теряли часть своей энергии. В итоге разницы в скоростях этой группы обломков снижались до уровня, когда гравитация позволяла им слиться воедино.

Те обломки, которые вращались в направлении, противоположном вращению Земли, при столкновении с мелкими телами аккреционного диска имели уже очень высокие скорости соударения и поэтому теряли так много энергии, что их части падали обратно на планету. В итоге на околоземной орбите оставались только обломки с тем же направлением вращения, что и у Земли. Постепенно сливаясь друг с другом, они и образовали Луну. Причем процесс этот был длительным и, в силу умеренной энергии ударов небольших астероидов, не сопровождался плавлением ни поверхности Земли, ни поверхности Луны. Последняя действительно получала меньше тяжелые элементов, потому что в основном формировалась из выбитых из верхнего слоя планеты обломков, а те были обеднены железом и тому подобным еще к моменту образования земной коры (благо тяжелые элементы опустились вглубь Земли).

Сходный сценарий, только в гораздо меньшем масштабе, по Горькавому, наблюдался и у астероидов. Пока только он может объяснить массовое обнаружение спутников у астероидов: не мультимпактные гипотезы не позволяют массового образования таких тел.

Из мультимпактной гипотезы вытекает довольно необычное следствие. В ее рамках твердые планеты с небольшой скоростью вращения не должны эффективно накапливать выбитые из их поверхности обломки на своей орбите. Следовательно, небольшие планеты с медленным вращением вокруг своей оси (длинными сутками) будут лишены крупных спутников не только в Солнечной системе (Меркурий и Венера), но и в других планетных системах тоже.

В комментарии для Naked Science Николай Горькавый проиллюстрировал это предположение так. Ракеты стартуют с Земли в восточном направлении, чтобы вращение планеты добавило ракете скорости. Запуск спутника в западном направлении более труден. Сходным образом, чем быстрее вращается планета, тем легче достигают спутниковых орбит обломки, выброшенные с ее поверхности астероидными ударами. При этом поток обломков будет обильнее в направлении вращения основного тела, а следовательно, должны формироваться спутники с прямым обращением вокруг планеты.

«Эти предположения было высказаны мной в 2004 году и потом подтвердились при изучении астероидов со спутниками: эти луны оказались поголовно с прямым обращением. При этом спутники образуются возле быстровращающихся астероидов, делающих оборот в среднем за 3 часа 40 минут, в то время как астероиды без спутников вращаются в два раза медленнее (день на таких астероидах длится почти 7 часов). Можно выдвинуть гипотезу, что отсутствие спутников у Меркурия и Венеры тоже связано с их медленным вращением, но чтобы твердо доказать это, нужно провести отдельное детальное моделирование», — поясняет ученый.

Как выяснить, кто прав

Автор обзора задается вопросом: можно ли в наши дни как-то выяснить, какая из гипотез верна? Ключевым индикатором, на его взгляд, тут должна быть вода. Теория мегаимпакта означает, что вода на Луне может быть только на поверхности, куда ее принесли либо кометы, либо солнечный ветер. Однако вода с комет содержит намного больше дейтерия, чем земная. А водород солнечного ветра, напротив, содержит намного меньше дейтерия, чем водород в молекулах земной воды.

В гипотезе мультимпакта ситуация принципиально иная: вся Луна должна содержать воду, даже на большой глубине. И, что важно, пропорции дейтерия в атомах водорода лунной воды должны напоминать земные — весьма далекие как от кометных, так и от пропорций солнечного ветра.

Изотопное соотношение означает, что первые же изучения воды у южного полюса Луны будут необъяснимы с точки зрения теории мегаимпакта, но подтвердят гипотезу мультимпакта. При этом формально первый аппарат с такими возможностями достигнет Луны уже в 2024 году: это VIPER (Volatiles Investigating Polar Exploration Rover, робот для полярных исследований и изучения легких элементов) NASA. Кроме того, ожидаемое возвращение человека на Луну в 2020-х позволит решить вопрос с изотопным составом лунной воды окончательно.

Практические результаты из дискуссии о природе лунной воды кажутся весомыми. Как отмечает автор обзора, в случае правоты мультимпактной гипотезы слой, насыщенный водным льдом (лунная вечная мерзлота), должен простираться вглубь Луны на километры. Причем приполярные регионы будут иметь другой рельеф (на фото у них действительно куда более «гладкие» формы). И, что немаловажно, строительство баз и посадочных площадок в таком районе надо будет вести совсем иначе: учитывая вечномерзлотный фактор и соответствующим образом рассчитывая несущие свойства грунта.

В рамках гипотезы мегаимпакта вода на Луне должна быть на несколько порядков более редкой. Следовательно, при подтверждении мультимпактной гипотезы, строительство баз на Селене окажется намного более простой задачей, чем считали ранее. По крайней мере, в смысле добыче ресурсов для получения воздуха и питья. А вот процесс создания фундаментов и оснований придется несколько пересмотреть. Какие-то зоны придется рассчитывать на предмет того, не «потечет» ли там грунт от тепла обитаемых модулей.

Как бы сильно ни влияла мультимпактная гипотеза на лунные базы, наиболее интригующие последствия она дает все же природе самого спутника. В комментарии для Naked Science Николай Горькавый отметил, что залежи льда в виде вечной мерзлоты возможны и в низких широтах Луны, поскольку реголит защитит их от вакуума и воздействия Солнца.

Ученый напоминает: «Как показывают данные наблюдений поверхности Луны во время метеорных потоков, микрометеоритная бомбардировка вызывает всплеск в спектре, ассоциированном с водой. Возможно, этот слой мерзлоты не сплошной и зависит от рельефа. Главный неясный момент — существует ли перенос воды из частично расплавленных лунных недр [где она содержится в оливинах и других минералах] в поверхностный слой? Если да, то слой вечной мерзлоты будет более мощным и непрерывным».

На наш вопрос о том, возможны ли поверхностные области с жидкой водой в глубинах Луны (где теплее, чем на поверхности), исследователь ответил так: «Отмечу, что воду нашли в вулканических стеклах в образцах „Аполлона” — в лаве, которая была извергнута из лунных недр. Значит, там есть вода, как и в земной мантии. Подземная мерзлота тоже сохранится, защищенная от вакуума слоем грунта. Также останутся глубинные очаги магматической воды. Так что я бы не отвергал идею глубинных водных линз на Луне».