Лунные породы помогают ученым определить, когда Луна кристаллизовалась

Иллюстрация художника, показывающая, как могла бы выглядеть частично расплавленная луна. Автор: NASA Goddard Space Flight Center

Несмотря на то, что люди размышляли о Луне с тех пор, как первый из нас взглянул на небо, мы все еще многого о ней не знаем.

Теперь ученые провели новые измерения лунных пород, полученных в ходе миссий «Аполлон», чтобы установить дату затвердевания Луны: 4,43 миллиарда лет назад.

Исследование, опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences в сотрудничестве с учеными Чикагского университета, применило передовые методы для сверхточного определения редких минералов в породах. Результаты добавляют доказательства к нашему пониманию истории формирования как Луны, так и Земли.

«Нам потребовались годы, чтобы разработать эти методы, но мы получили очень точный ответ на вопрос, который долгое время был спорным», — сказал Николас Дофас, первый автор статьи, который возглавляет Лабораторию происхождения Калифорнийского университета в Чикаго и является профессором кафедры геофизических наук и Института Энрико Ферми.

Луны, метеориты и магма

Вот что нам известно на данный момент.

Солнечная система образовалась около 4,57 млрд лет назад. Вскоре после этого, по мере ее остывания, обломки начали сталкиваться и слипаться, со временем образуя планеты. Ученые полагают, что очень большой объект врезался в растущую Землю, и что наша Луна образовалась из обломков, образовавшихся в результате этого удара.

По словам Дофаса, это столкновение было чрезвычайно сильным, достаточным, чтобы расплавить скалы. «Поэтому для начала мы должны представить себе большой шар магмы, плавающий в космосе вокруг Земли».

Луна начала быстро остывать. Большая часть лунного магматического океана затвердела почти сразу по геологическим меркам — примерно за одно тысячелетие.

Но как только около 80% магмы затвердело, образовалась корка из минералов, которая изолировала молодую луну. «Это как надеть пальто в Чикаго, когда на улице холодно — вы не будете терять тепло так быстро», — сказал Дофас. Это замедлило процесс охлаждения, и какое-то время у луны была частично расплавленная мантия. Мы не смогли точно определить, как долго она оставалась такой, прежде чем полностью остыла и превратилась в твердую породу.

Исследования образцов из миссий Аполлон показали, что по мере медленного остывания Луны смесь определенных элементов могла бы всплыть вверх в частично расплавленной мантии — немного похожей на хлопьевидную белую соль, остающуюся после испарения морской воды — и образовать отчетливый слой. Ученые решили, что если бы они смогли определить точный возраст этого слоя магмы, который содержал много калия, редкоземельных элементов и фосфора (сокращенно KREEP), они бы узнали, когда Луна была на 99% кристаллизована.

Дофас и его коллеги задались вопросом, может ли ответ быть заключён в лунных породах, добытых астронавтами миссии «Аполлон».

Лунные радиоактивные часы

Ключом к их подходу было изучение различных пропорций элементов. Одним из элементов в KREEP является лютеций, который очень слабо радиоактивен; на протяжении эпох он постепенно превращается в элемент гафний с предсказуемой скоростью. Таким образом, ученые могут работать в обратном направлении, чтобы узнать, как долго существует конкретная порода. (Это похоже на то, как мы используем радиоуглеродное датирование, чтобы определить возраст археологических артефактов.)

В ранней солнечной системе все породы имели одинаковое количество лютеция. Но процесс затвердевания, который сформировал KREEP, не благоприятствовал лютецию, поэтому этот слой имеет более низкие уровни лютеция, чем другие породы той же эпохи.

Если бы ученые могли очень точно измерить пропорции лютеция и полуния в лунных породах по сравнению с другими объектами той же эпохи, но прибывшими из других мест Солнечной системы, например, метеоритами, они могли бы провести обратные вычисления и увидеть, когда образовался слой KREEP, а значит, и когда Луна почти закончила остывать.

Проблема в том, что у нас есть только небольшие, драгоценные образцы лунных камней. Поэтому команде, включая Синди Си Чен, доктора философии'22, пришлось разработать чрезвычайно строгие методы для разделения различных элементов.

Проведя испытания крошечных образцов лунных пород, полученных в ходе многочисленных миссий «Аполлон», они определили возраст остывания Луны: 4,43 миллиарда лет до наших дней.

На основании других исследований ученые полагают, что Луне потребовалось бы около 20 миллионов лет, чтобы остыть до этого уровня. Если отмотать назад, то получится, что сама Луна образовалась примерно 4,45 миллиона лет назад.

Это говорит нам не только об истории Луны, но и о формировании Земли, поскольку столкновение, в результате которого образовалась Луна, вероятно, было также последним крупным столкновением с Землей, отмечая дату, когда Земля, возможно, впервые обрела стабильность и стала пригодной для жизни.

«Эта находка прекрасно согласуется с другими доказательствами — это отличное место, где мы можем находиться, готовясь к получению новых знаний о Луне от миссий Чан-э и Артемиды», — сказал Дофас. «У нас есть еще ряд вопросов, на которые нужно ответить».

Дофас сказал, что посвятил исследование памяти своей жены и коллеги-геохимика Рейки Йокочи, профессора-исследователя из Чикагского университета, которая скончалась в 2024 году. «Она сыграла важную роль во всех аспектах моего исследования», — сказал он.

Больше информации: Nicolas Dauphas et al, Completion of lunar magma ocean solidification at 4.43 Ga, Proceedings of the National Academy of Sciences (2025). DOI: 10.1073/pnas.2413802121

Источник: University of Chicago