Луна могла появиться не за месяцы или годы, а всего за несколько часов после гигантского столкновения молодой Земли с планетой размером с Марс. К такому выводу пришли ученые, проведя одни из наиболее детальных компьютерных моделирований формирования Луны. В расчет впервые в таком масштабе включили температуру и прочность недр сталкивавшихся тел.

Все зависело от того, насколько горячей была Тейя

Наиболее распространенная версия происхождения Луны предполагает, что около 4,5 млрд лет назад Земля столкнулась с протопланетой размером примерно с Марс, которую называют Тейей. Удар разрушил Тейю, значительная часть ее железного ядра погрузилась в Землю, а вокруг нашей планеты образовалось кольцо раскаленных обломков. Из этого материала впоследствии сформировалась Луна.

Однако ученые до сих пор спорят о том, сколько времени занял этот процесс. Одни модели показывали, что обломочный диск мог существовать достаточно долго, постепенно собираясь в спутник. Другие, в частности предложенные в результате моделирования NASA в 2022 году, допускали гораздо более стремительный сценарий — образование Луны всего за несколько часов.

Новое исследование, проведенное командой Адин Дентон из Southwest Research Institute, помогает понять, от чего мог зависеть исход столкновения.

Оказалось, что важную роль играла температура Тейи. Молодые планеты вскоре после своего формирования были значительно горячее современных. А горячая порода слабее холодной и легче деформируется при столкновении.

Это влияет на то, сколько энергии и импульса поглощает планета во время удара и каким образом разлетается ее вещество.

Пять часов — и спутник уже сформирован

Исследователи провели серию симуляций с разной температурой внутренних слоев Земли и Тейи. Если столкновение произошло относительно поздно, когда Тейя уже успела остыть — примерно через 100–150 млн лет после формирования планет, — она была более прочной.

В таком случае значительная часть Тейи могла пережить столкновение, смешаться с Землей, а выброшенный материал сформировал диск, из которого Луна постепенно собиралась.

Но при более раннем столкновении ситуация менялась.

Если Тейя столкнулась с Землей менее чем через 60 млн лет после формирования планет и оставалась достаточно горячей, она могла практически полностью разрушиться. Тогда вокруг Земли образовалось огромное количество обломков, из которых спутник мог собраться чрезвычайно быстро.

В одном из вариантов моделирования исследователи использовали параметры, близкие к тем, что применялись в первоначальных моделях гигантского столкновения. В результате примерно через пять часов после удара в симуляции уже появлялась сформировавшаяся Луна.

Это не означает, что ученые установили точную продолжительность формирования реальной Луны. Речь идет о возможном сценарии, который зависит от температуры Земли и Тейи в момент столкновения.

Из чего тогда состоит Луна?

Моделирование дает еще один интересный результат. В обоих сценариях основная часть вещества Луны происходит из мантии Тейи, тогда как материал мантии молодой Земли составляет лишь небольшую долю.

Это создает проблему: состав Луны во многом похож на состав земной мантии. Если спутник действительно преимущественно сформировался из вещества другой планеты, такое сходство требует дополнительного объяснения.

Изотопные измерения также показывают различия, которые существующие модели пока не могут полностью воспроизвести. Поэтому новое моделирование не закрывает вопрос о происхождении Луны, а, скорее, добавляет еще одну переменную — тепловое состояние Земли и Тейи — в уравнение.

При этом физические свойства современной Луны, включая, возможно, содержание летучих веществ, могут сохранять информацию о том, насколько горячими были Земля и Тейя во время столкновения. Это потенциально поможет ученым точнее определить, когда именно произошел гигантский удар.

Что это значит для поиска лун у других планет

У нового сценария есть последствия и для изучения других планетных систем.

Если спутник действительно может сформироваться всего за несколько часов, то искать вокруг молодых землеподобных экзопланет диски из обломков, оставшихся после столкновения, может быть практически бессмысленно. Такой диск существует слишком недолго, чтобы его было легко обнаружить.

С газовыми гигантами ситуация другая. Их спутники формируются не в результате гигантского столкновения, а из материала, оставшегося после формирования самой планеты. Поэтому соответствующие диски могут существовать значительно дольше.

Таким образом, новое моделирование предлагает не только необычную версию рождения нашей Луны, но и объяснение того, почему следы подобных процессов вокруг других планет может быть так трудно заметить.

Исследование опубликовано 1 сентября в The Astrophysical Journal Letters.