Луна могла сформироваться цельной всего за несколько часов после гигантского столкновения

Земля обладает необычно крупным спутником по сравнению с другими каменистыми планетами Солнечной системы, однако учёные до сих пор не до конца понимают, как именно образовалась Луна. Новое исследование сотрудников Юго-Западного исследовательского института (SwRI) и Университета Аризоны показывает, что один долгое время игнорировавшийся фактор мог сыграть ключевую роль в рождении Луны — физическая прочность столкнувшихся тел.

С помощью продвинутых компьютерных симуляций исследователи изучили гигантское столкновение, произошедшее, как считается, около 4,5 млрд лет назад между молодой Землёй и объектом размером с Марс. Результаты показали разительно отличающиеся сценарии в зависимости от температуры и структурных свойств обоих тел.

Работа опубликована в журнале The Astrophysical Journal Letters. Впервые симуляции учитывают прочность материала двух древних миров. Это дополнение может изменить представление учёных о столкновении, породившем Луну, и помочь точнее определить, когда оно произошло.

«Мы обнаружили, что существовавшая до столкновения геология протолуны размером с Марс имеет значение, — заявила Адин Дентон, бывшая постдокторантка Лаборатории луны и планет, а ныне сотрудница SwRI. — Когда моделируешь Землю и Луну как сталкивающиеся тела с геологическими свойствами, это меняет то, как Луна формируется в результате удара — раньше мы считали это несущественным».

Одна из ведущих теорий происхождения Луны — сценарий гигантского столкновения. Согласно ей, тело размером с Марс под названием Тейя столкнулось с ранней Землёй. Удар уничтожил Тейю, а её остатки вышли на орбиту вокруг Земли, образовав диск обломков, который со временем собрался в Луну.

Основополагающее исследование этого сценария 2001 года возглавили Робин Кануп, вице-президент отдела планетарной науки SwRI в Боулдере (Колорадо), и Эрик Аспхауг, профессор Лаборатории луны и планет и соавтор новой работы.

Те ранние симуляции, как и многие последующие модели, не учитывали прочность материала. Учёные предполагали, что столкновение было настолько энергичным, что каменистые тела можно рассматривать как жидкости.

Дентон и её коллеги решили проверить, оправдано ли это допущение. Используя современные вычислительные методы, они впервые включили в симуляции образования Луны зависящую от температуры геологическую прочность.

«Поскольку столкновение считалось достаточно жестоким, чтобы расплавить и испарить большие части Земли и Тейи, в прежних работах предполагалось, что их можно приближённо рассматривать как жидкости, — сказал Аспхауг. — Однако, исходя из наших новых результатов, мы считаем, что пришло время это пересмотреть».

Температура оказалась особенно важна. Горячие планеты механически слабее холодных, и симуляции показали, что эта разница может кардинально влиять на последствия удара.

При одних условиях столкновение уничтожает Тейю и создаёт широкий протолунный диск вокруг Земли, материал которого постепенно собирается в Луну. Но другие симуляции дали куда более драматичный результат: вместо медленного формирования из обломков полностью сформировавшаяся Луна появилась всего за несколько часов.

Поскольку молодые протопланеты обычно начинают горячими и постепенно остывают, этот результат создаёт потенциально важную связь между временем гигантского столкновения и тем, как изначально формировалась Луна.

«В зависимости от того, насколько горячи Земля и Луна перед столкновением, удар может уничтожить Тейю и создать массивный диск обломков, из которого в итоге формируется Луна, — сказала Дентон. — Но когда мы использовали те же параметры, что и в оригинальном моделировании, вплоть до одинаковых температурных структур внутри обоих тел, примерно за пять часов возникла целая Луна».

Прежние симуляции тоже давали целые луны, но новая работа первой демонстрирует, что прочность материала и температура могут быть определяющими в том, сформируется ли Луна в основном цельной или постепенно соберётся из переработанных обломков протолунного диска.

Результаты могут связать современные свойства Луны с физическим состоянием Земли и Тейи миллиарды лет назад.

«Эти неожиданные и захватывающие новые результаты подразумевают потенциальную связь между физическими свойствами Луны сегодня, включая, возможно, её содержание летучих веществ, и тепловым состоянием Земли и Тейи на момент гигантского столкновения, — сказала Кануп, не участвовавшая в исследовании. — Это, в свою очередь, может помочь учёным лучше ограничить время, когда произошло событие, породившее Луну».

Однако одна крупная загадка остаётся нерешённой. Земля и Луна имеют удивительно схожий состав, что модели гигантского столкновения давно не могут полностью объяснить. Новые симуляции эту проблему не устраняют.

«Поскольку Земля и Марс формировались по соседству в Солнечной системе, они как братья, — сказала Дентон. — А Луна и Земля скорее как разнояйцевые близнецы».

Одна из возможностей состоит в том, что Тейя и протоземля сформировались из материала одного региона ранней Солнечной системы. Марс, чей состав отличается и от Земли, и от Луны, мог сформироваться дальше.

«Теперь мы знаем, что геофизическое состояние Земли и Тейи играет фундаментальную роль в формировании исхода столкновения, — сказал соавтор исследования Намья Байджал, докторант группы Аспхауга. — Это даёт нам новый способ исследовать условия удара и то, что они могут рассказать о происхождении Луны».

Источники:

Материалы предоставлены Университетом Аризоны.

C. Adeene Denton, Erik Asphaug, Namya Baijal, Robert E. Melikyan. Collisional Capture of an Intact Moon Depends on Strength. The Astrophysical Journal Letters, 2026; 1008 (1): L30 DOI: 10.3847/2041-8213/ae91e9