Книга: Математика космоса [Как современная наука расшифровывает Вселенную]

* * *

Простейшая теория состоит в том, что Луна, как и все остальное, собралась из газопылевого облака через механизм аккреции в период формирования Солнечной системы. Тогда здесь было полно обломков и комков самого разного размера. Когда все начало потихоньку успокаиваться, крупные куски стали расти; они притягивали к себе более мелкие куски, и те после столкновения прилипали к ним. Так формировались планеты, так формировались астероиды, так формировались кометы, так формировались и луны. Так что и наша Луна, вероятно, сформировалась именно так.

Однако если так, то получается, что она формировалась где угодно, только не на нынешней своей орбите. Все портит момент импульса: его слишком много. Еще одна проблема — состав Луны. Когда происходила конденсация Солнечной туманности, разные элементы концентрировались преимущественно на разных расстояниях от центра. То, что потяжелее, держалось поближе к Солнцу, тогда как более легкие элементы давление излучения относило дальше, на край облачного диска. Именно поэтому внутренние планеты состоят из каменных пород и имеют железо-никелевое ядро, а внешние представляют собой в основном газ и лед, то есть тот же газ, но охлажденный до замерзания. Если Земля и Луна сформировались примерно на одном расстоянии от Солнца и примерно в одно время, то в их составе должны присутствовать сходные породы в сходных пропорциях. Но железное ядро Луны намного меньше земного. Мало того, доля железа в составе Земли в восемь раз превышает его долю на Луне.

В XIX веке сын Чарльза Дарвина Джордж предложил другую теорию: на начальном этапе Земля, еще расплавленная, вращалась так быстро, что часть ее оторвалась под действием центробежной силы. Он просчитал ситуацию с использованием Ньютоновой механики и предсказал, что Луна должна постепенно удаляться от Земли — это оказалось правдой. Такое событие, разумеется, оставило бы на Земле глубокий шрам, и очевидный кандидат на эту роль имелся: Тихий океан. Однако сегодня мы знаем, что лунные породы намного старше пород океанической коры Тихого океана. Это исключает бассейн Тихого океана из числа кандидатов, но не опровергает в принципе дарвиновской теории центробежного отделения.

Предлагалось множество и других сценариев, в том числе достаточно диких. Может быть, природный ядерный реактор (а нам известно, кстати говоря, что по крайней мере один такой реактор действительно существовал[22]) вошел в критический режим, взорвался и выбросил с Земли вещество для создания Луны. Если этот реактор располагался вблизи границы между мантией и ядром и неподалеку от экватора, то значительное количество горных пород Земли оказалось бы на экваториальной орбите. Или, возможно, у Земли когда-то было две луны, которые затем столкнулись. Или мы украли луну у Венеры; заодно эта теория изящно объясняет, почему у Венеры нет спутника. Правда, она не объясняет, почему, если теория верна, его первоначально не было у Земли.

Менее эффектный альтернативный вариант заключается в том, что Земля и Луна сформировались отдельно, но позже Луна приблизилась к Земле настолько, что была захвачена ее гравитацией. В пользу этой теории говорят несколько вещей. Луна имеет правильный размер и находится на разумной орбите. Более того, теория захвата объясняет, почему Луна и Земля синхронизированы (имеет место приливной захват) в своем вращении взаимным гравитационным притяжением, так что Луна обращена к Земле всегда одной и той же стороной. Луна немного вихляется на орбите (в терминологии астрономов это явление называется либрацией), но при приливном захвате это нормально.

Основная проблема здесь в том, что, хотя на первый взгляд гравитационный захват представляется разумным вариантом (в конце концов тела притягиваются друг к другу), на самом деле это довольно необычный сценарий. Движение небесных тел происходит практически без трения, в принципе трение там присутствует, хотя бы за счет солнечного ветра, но его динамические эффекты очень слабы, так что энергия сохраняется. Поэтому (кинетической) энергии, которую «падающее» тело набирает по мере приближения к другому телу за счет их гравитационного взаимодействия, бывает достаточно, чтобы это тело вновь вышло из-под действия тяготения. Как правило, два тела сближаются, стремительно оборачиваются друг вокруг друга и разлетаются вновь.

Или сталкиваются.

Очевидно, Земля и Луна не сделали ни того ни другого.

Эту проблему можно обойти. Можно предположить, что ранняя Земля обладала громадной объемной атмосферой, которая замедлила Луну, когда та приблизилась, и при этом ничего не разрушила. Прецедент имеется: спутник Нептуна Тритон исключителен не только своим размером в сравнении с остальными лунами этой планеты, но и «обратным» направлением движения — он обращается вокруг своей планеты в сторону, противоположную той, в которую движется большинство тел Солнечной системы, в том числе все планеты. Астрономы считают, что Тритон был захвачен Нептуном. Первоначально Тритон был объектом пояса Койпера — так называется рой небольших тел, располагающихся на орбитах за Нептуном. Вероятно, их с Плутоном связывает общее происхождение. Если это так, то захваты все же случаются.

Еще одно наблюдение дополнительно ограничивает спектр возможных вариантов. Хотя общее геологическое строение Земли и Луны сильно различается, детальное строение поверхностных пород Луны замечательно напоминает строение пород земной мантии. (Мантия лежит между континентальной корой и железным ядром.) У элементов есть изотопы, почти идентичные химически, но отличающиеся друг от друга количеством и составом частиц, образующих атомное ядро. Так, у самого распространенного изотопа кислорода — кислорода-16 — в ядре восемь протонов и восемь нейтронов. У кислорода-17 там присутствует один дополнительный нейтрон, у кислорода-18 — два. При образовании горных пород кислород посредством химических реакций включается в минералы. Образцы лунного грунта, привезенные на Землю астронавтами Apollo, имеют то же соотношение разных изотопов кислорода, что и породы земной мантии.

В 2012 году Рэндалл Паниелло с сотрудниками проанализировал содержание изотопов цинка в лунном веществе и обнаружил, что хотя цинка вообще там меньше, чем на Земле, но доля тяжелых изотопов цинка выше. Исследователи пришли к выводу, что Луна потеряла цинк через испарение. В 2013 году группа под руководством Альберто Сааля сообщила, что атомы водорода, включенные в лунное вулканическое стекло и оливин, имеют изотопный состав, очень близкий к составу земной воды. Если бы Земля и Луна первоначально формировались отдельно, то вряд ли изотопный состав в них получился настолько похожий.

Простейшее объяснение состоит в том, что эти два тела имеют общее происхождение, несмотря на различия в строении ядра. Однако есть и альтернативное объяснение: возможно, сформировались они отдельно и состав при формировании имели разный, но позже перемешались.