Луна может быть старше, чем предполагалось

Несколько сотен миллионов лет после своего образования Луна подвергалась интенсивной вулканической активности. Расстояние между Землей и Луной тогда было намного меньше, чем сейчас. Автор: MPS/Alexey Chizhik

После своего формирования луна могла стать ареной такой огромной вулканической активности, что вся ее кора плавилась несколько раз и была полностью перемешана. В то время луна вращалась значительно ближе к Земле, чем сегодня. Возникающие приливные силы нагревали ее недра и, таким образом, питали бурный вулканизм. Только луна Юпитера Ио, безусловно, самое вулканически активное тело в солнечной системе, предлагает сопоставимые условия.

Луна, по-видимому, неохотно раскрывает свой возраст. Попытки раскрыть ее тайну привели к оценкам, которые расходятся на несколько сотен миллионов лет: в то время как некоторые исследователи предполагают, что наш космический компаньон образовался 4,35 миллиарда лет назад, другие датируют его рождение 4,51 миллиарда лет назад.

Одно из самых поразительных несоответствий имеет каменную природу: почти все образцы лунных пород указывают на более молодой возраст. Но несколько редких кристаллов силиката циркония, известных как цирконы, значительно старше. Как это возможно? В текущем исследовании исследователям удается разрешить это противоречие. Согласно их расчетам, кора Луны была в основном расплавлена снова после ее образования; только несколько цирконов смогли выдержать эти экстремальные условия без изменений.

Столкновение и его последствия

История Луны начинается с огромного столкновения. В ранние дни Солнечной системы кусок размером с Марс врезался в еще молодую Землю. Столкновение выделило столько тепла, что наша планета полностью расплавилась и выбросила в космос огромное количество материала. Постепенно этот материал слипся, образовав Луну, изначально покрытую огромным океаном горячей жидкой породы. В последующие миллионы лет новообразованное тело остывало и все дальше удалялось от Земли, пока не достигло своей нынешней орбиты на расстоянии около 384 400 километров.

«Нас особенно интересует фаза, когда расстояние между Землей и Луной составляло примерно одну треть сегодняшнего расстояния», — объясняет Фрэнсис Ниммо из Калифорнийского университета в Санта-Крус, первый автор нового исследования.

В это время произошли различные изменения в положении и форме орбиты Луны. Среди прочего, она стала более эллиптической, так что скорость Луны и ее расстояние от Земли заметно различались в пределах каждой орбиты. Действующие таким образом силы «вспенили» недра Луны до такой степени, что она нагрелась.

Похожая ситуация и сегодня известна на примере спутника Юпитера Ио, который движется вокруг газового гиганта также по слегка эллиптической орбите. Огромные приливные силы Юпитера делают этот небольшой спутник самым вулканически активным телом в Солнечной системе. Ранняя луна Земли, вероятно, была даже сопоставима с Ио.

Как показывают расчеты исследователей, тепловой поток из недр Луны был достаточным, чтобы расплавить и вспенить всю мантию. Хотя в течение этой фазы океан магмы не покрывал всю Луну, в течение нескольких миллионов лет тепло из недр постепенно достигало каждой части поверхности, расплавляя большую часть коры — возможно, даже несколько раз. В некоторых местах горячая лава проникала на поверхность, в других магма внедрялась под поверхность, нагревая окружающие ее породы.

Предполагаемая хронология событий. Автор: Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-08231-0

Переустановка геологических часов

Эта вулканическая история имеет решающее значение для определения возраста корковой породы. С момента своего формирования лунные породы (как и земные породы) содержат радиоактивные изотопы. Изотопы — это вариации определенных атомов, которые отличаются только числом нейтронов в атомном ядре.

Поскольку время распада изотопов известно, можно вывести возраст породы по их текущей концентрации. Решающий фактор: пока порода горячая, она может обмениваться изотопами с окружающей средой. Когда она остывает, она фиксирует свой состав. Захваченные радиоактивные изотопы начинают распадаться — и геологические часы начинают тикать.

«Сильный вулканизм, вероятно, сбросил геологические часы Луны», — объясняет Торстен Кляйн, директор MPS и соавтор исследования. «Образцы лунных пород, таким образом, не показывают свой первоначальный возраст, а только то, когда они в последний раз были сильно нагреты», — добавляет он.

Только несколько устойчивых к высоким температурам цирконов свидетельствуют о более далеком прошлом, показывают исследователи в своих расчетах. В некоторых местах, где лава не достигла поверхности, зерна циркона оставались холодными, так что их внутренние часы не были затронуты.

«Образцы лунных пород рассказывают нам всю бурную историю Луны. Они рассказывают нам о ее формировании и ее последующем бурном вулканизме. До сих пор мы просто не читали эти подсказки правильно», — говорит Кляйн. Согласно результатам исследования, возраст самой Луны составляет от 4,43 до 4,51 миллиарда лет. Бурный вулканизм сформировал ее кору около 4,35 миллиарда лет назад.

Решение загадки

Новые результаты также разрешают многие другие противоречия, которые ранее озадачивали ученых. Например, сравнительно небольшое количество кратеров на Луне говорит против ее древности. За столь долгое время наш космический сосед должен был стать свидетелем большего количества столкновений. Вулканизм теперь предлагает объяснение. «Лава из недр Луны могла заполнить ранние ударные бассейны и, таким образом, сделать их неузнаваемыми», — говорит соавтор Алессандро Морбиделли из Коллеж де Франс.

Состав лунной мантии стал еще одной загадкой для исследователей. Это слой породы, который лежит непосредственно под корой Луны. Его список ингредиентов отличается от земного в ключевых аспектах. Однако, если бы внутренняя часть Луны была расплавлена во второй раз, некоторые вещества могли бы вырваться из мантии в железное ядро ниже.

«Новые результаты означают, что все части головоломки, которые ранее не складывались, теперь образуют целостную общую картину формирования Луны», — говорит Кляйн.

Больше информации: Francis Nimmo et al, Tidally driven remelting around 4.35 billion years ago indicates the Moon is old, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-08231-0

Источник: Max Planck Society