Большинство ученых сходятся во мнении, что крупное столкновение 4,5 миллиарда лет назад с протопланетой Тейя сформировало систему Земля-Луна. Новое исследование, проведенное в Университете Невады, утверждает, что из хаоса этого столкновения в ранние дни существования системы Земля-Луна могли образоваться полярные окололунные «луны».
Хотя меняющиеся условия в системе Земля-Луна больше не позволяют этого сделать, это открытие может иметь большое значение для астрономов, изучающих экзопланеты, некоторые из которых, возможно, даже имитируют ранние условия на Земле.
Около 4,5 миллиардов лет назад, когда Земле было всего лишь около 100 миллионов лет, протопланета размером с Марс по имени Тейя врезалась в нашу планету, выбросив грузы, которые в конечном итоге вернулись на поверхность Земли, образовали Луну или полностью покинули недавно сформированную систему Земля-Луна.
Собрать воедино эту катастрофу было непросто, но доказательства возможных остатков Тейи в мантии Земли и анализ лунных пород в совокупности подтвердили это. Теперь новое исследование ученых из Университета Невады добавляет некоторую сложность в этот чрезвычайно хаотичный момент в истории Земли, предполагая, что в течение короткого времени система Земля-Луна принимала множество полярных лун, также известных как циркумбинарные частицы. Однако эти «луны» были возможны только из-за близкого расположения Луны к Земле сразу после столкновения планеты с Тейей. Результаты этого исследования были загружены на нерецензируемый сервер препринтов arXiv.
«Циркумбинарные орбиты, которые являются полярными или сильно наклонены к орбите Земля-Луна, подвержены двум конкурирующим эффектам: прецессии узлов вокруг вектора эксцентриситета Земля-Луна и колебаниям Козаи-Лидова эксцентриситета и наклона, вызванным Солнцем» , — говорится в статье. «Хотя мы обнаружили, что вокруг орбиты Земля-Луна с текущей полуосью не существует стабильных полярных орбит, полярные орбиты были стабильны сразу после образования Луны, в то время, когда вокруг системы было много мусора».
Узловая прецессия означает, что частицы на орбите вокруг системы Земля-Луна медленно «прецессируют» (медленное, непрерывное изменение орбитальных параметров тела) вокруг вектора углового момента. Осцилляции Козаи-Лидова, с другой стороны, в значительной степени относятся к динамическому явлению, включающему двойную систему и возмущения, вносимые далеким третьим телом.
После проведения расчетов с учетом этих конкурирующих эффектов, частицы, вращающиеся в полярной области, оказались наиболее стабильными. Это связано с тем, что когда Луна впервые сформировалась (что, по мнению некоторых ученых, могло занять всего несколько часов), она находилась всего на 5 процентов дальше от Земли, чем сегодня, в среднем около 238 900 миль. Однако в течение миллиардов лет приливные силы начали толкать Луну все дальше и дальше на ее современную орбиту, что в конечном итоге полностью стерло эти стабильные полярные области. Возможно, что этот полярный материал также толкал растущий эксцентриситет системы Земля-Луна.
«Полярный циркумбинарный материал может способствовать росту эксцентриситета двойной системы», — говорится в статье. «Если значительная масса материала оказалась на полярных или либрационных орбитах, то эксцентриситет двойной системы Земля-Луна мог увеличиться в результате ее взаимодействия».
Хотя эти полярные луны сегодня не оказывают практически никакого влияния, подтверждение их существования в ранние годы существования Земли имеет глубокие последствия для изучения экзопланет за пределами нашей Солнечной системы. Исследовательская группа объяснила, что система планета-луна с сильно эксцентричной орбитой, скорее всего, будет принимать одну из этих циркумбинарных полярных «лун», которые, в свою очередь, будут управлять ретроградной процессией — то есть движением по орбите в обратном направлении.
Найти одну такую луну среди миллиардов звезд в галактике — все равно что увидеть мельком процесс создания нашей родной планеты.
2% массы Земли могут быть остатками гигантского столкновения, в результате которого образовалась Луна. 4,5 миллиарда лет назад Земля пережила катастрофическое рандеву с древней планетой под названием Тейя. Доказательства столкновения все еще зарыты глубоко в нашей коре.
Глубоко под земной корой, вдоль границы мантии и ядра, располагаются плотные геологические аномалии, похожие на капли, известные как крупные провинции с низкой скоростью сдвига.
Хотя существует множество гипотез, объясняющих эти аномалии, гипотеза гигантского удара является фаворитом. Эта концепция утверждает, что эти капли на самом деле являются остатками столкновения Земли с протопланетой Тейей, приведшего к формированию Луны, 4,46 млрд лет назад.
Новое исследование предоставляет детальное моделирование, показывающее, что тейский материал может составлять два процента массы Земли вдоль границы мантии и ядра. Две недавно образованные планеты-сестры, гармонично разделяющие одну и ту же солнечную орбиту, внезапно сталкиваются из-за гравитационных возмущений в ранней Солнечной системе. Но из этого хаотичного столкновения возникает бесконечная связь, которая длится 4,46 миллиарда лет, и единственная планета, поддерживающая жизнь (о которой мы знаем) — Земля.
За последние 50 лет это катастрофическое столкновение превратилось из одной из многих гипотез в ведущего кандидата на объяснение того, как образовалась система Земля-Луна. Теперь новое исследование международной группы ученых говорит, что доказательства этого изначального столкновения все еще можно найти в нижней мантии Земли.
Хунпин Дэн — астрофизик из Китайской академии наук — использовал новую технику динамики жидкости под названием Meshless Finite Mass (MFM) для моделирования этого древнего столкновения. Результаты были опубликованы в журнале Nature.
«Предыдущие исследования уделяли чрезмерное внимание структуре осколочного диска (предшественника Луны) и упускали из виду влияние гигантского столкновения на раннюю Землю», — сказал Дэн в пресс-релизе. «Наши результаты бросают вызов традиционному представлению о том, что гигантское столкновение привело к гомогенизации ранней Земли. Вместо этого гигантское столкновение, в результате которого образовалась Луна, по-видимому, является источником гетерогенности ранней мантии и знаменует собой отправную точку геологической эволюции Земли на протяжении 4,5 миллиардов лет».
Два самых больших примера этой неоднородности (прото-Земля имела более высокое содержание кремния, чем Тейя) обнаружены в двух крупных провинциях с низкой скоростью сдвига (LLVP), расположенных глубоко под Африкой и Тихим океаном. Эти обширные, плотные регионы вдоль границы мантии и ядра были обнаружены с помощью сейсмических измерений, и ученые даже детально их картировали. Некоторые теории предполагают, что эти регионы представляют собой старые тектонические плиты или аномальный магматический океан у основания мантии. Но также начинает появляться возможность того, что эти сгустки являются остатками прото-планеты Тейи.
В 2021 году аспирант Аризонского университета Цянь Юань, ныне постдокторант кафедры геофизики в Калифорнийском технологическом институте, выдвинул теорию о том, что богатый железом (и, следовательно, изначально более плотный) тэйский материал переместился в нижнюю мантию и образовал эти LLVP после длительной мантийной конвекции.
Новые симуляции Дэна подтверждают, что ранняя Земля испытала стратификацию мантии после удара, что означает, что мантия закручивалась материалом как из Тейи, так и из Земли, в то время как ядро оставалось неизменным. Моделирования также показывают, что материал Тейи, равный двум процентам массы Земли, в конечном итоге попал в эту нижнюю область мантии.
«Благодаря точному анализу более широкого спектра образцов горных пород в сочетании с более совершенными моделями гигантских ударов и моделями эволюции Земли мы можем сделать вывод о материальном составе и орбитальной динамике изначальной Земли… и Тейи», — сказал Юань в пресс-релизе. «Это позволяет нам ограничить всю историю формирования внутренней части Солнечной системы».
Земля — уникальная жемчужина в Солнечной системе, и, насколько мы можем судить, в известной нам Вселенной. Понимание ранних дней (или первых миллионов лет) в течение которого сформировалась наша планета, может дать ценную информацию о том, что изначально делает нашу Землю такой особенной.
