Ученые нашли новые свидетельства того, что различия между видимой и обратной сторонами Луны могли возникнуть из-за движения расплавленной породы в недрах молодого спутника. Анализ образцов, доставленных китайской миссией «Чанъэ-6» в 2024 году, показал: мантия Луны по химическому составу может быть сравнительно однородной, тогда как ее кора заметно различается между двумя полушариями. Исследователи предполагают, что ключевую роль сыграли тепло и гравитационное воздействие Земли.

Две стороны одного спутника

Обращенная к Земле сторона Луны покрыта обширными темными равнинами — следами древней вулканической активности. В этих областях относительно много калия, редкоземельных элементов и фосфора. Обратная сторона выглядит иначе: на ней преобладают древние, густо покрытые кратерами возвышенности, а вулканических равнин значительно меньше. Кроме того, кора обратной стороны толще.

Почему два полушария одного небесного тела настолько различаются, ученые обсуждают десятилетиями. Среди возможных объяснений были неодинаковое движение расплавленной породы в недрах, гигантское столкновение, приливное нагревание со стороны Земли и особенности формирования лунной коры.

Оставался и другой вопрос: ограничиваются ли эти различия поверхностью и корой или распространяются глубже — в мантию Луны?

Что рассказали образцы с обратной стороны

В 2024 году китайская миссия «Чанъэ-6» впервые доставила на Землю грунт с обратной стороны Луны. Это позволило напрямую сравнить его с образцами, собранными на видимой стороне американскими экспедициями «Аполлон» и китайской миссией «Чанъэ-5».

Группа под руководством профессора Хэцюй Хуэя из Нанкинского университета исследовала три типа пород: анортозиты, породы магниевого комплекса (Mg-suite) и базальты лунных морей.

Один из важных результатов оказался неожиданным. Базальты, доставленные «Чанъэ-6», несут химические признаки, указывающие на происхождение из обедненного мантийного материала. Похожая картина наблюдается у низкотитанистых базальтов, собранных на видимой стороне Луны.

Сходство обнаружилось и при анализе пород Mg-suite. Их показатель Mg# — соотношение магния и железа — оказался близким у образцов с обеих сторон спутника. Эти породы образуются при взаимодействии коры с мантией, в том числе когда часть накопившегося мантийного вещества подвергается частичному плавлению.

Результаты указывают на то, что материалы, кристаллизовавшиеся в древнем океане лунной магмы и сформировавшие основу мантии, не разделились на два резко различающихся по составу полушария.

Кора хранит следы древнего перераспределения вещества

В коре различия выражены гораздо сильнее. Анортозиты из образцов «Чанъэ-6» имеют более высокие максимальные значения Mg#, чем сопоставимые породы с видимой стороны. Это указывает на повышенное содержание магниевого материала в коре обратного полушария и согласуется с данными дистанционных наблюдений.

Отличия обнаружились и в породах Mg-suite. В образцах с обратной стороны оказалось крайне мало редкоземельных элементов, а отношение тория к самарию (Th/Sm) было ниже, чем в образцах с видимой стороны.

Ученые рассматривают два возможных объяснения. Магмы, из которых образовались эти породы, могли формироваться на обратной стороне без существенного участия материала, обогащенного так называемым компонентом KREEP. Либо сам слой, содержащий такие элементы, изначально распределился по Луне неравномерно.

KREEP — это материал, богатый калием, редкоземельными элементами и фосфором. Он связан с поздними стадиями кристаллизации древнего океана лунной магмы. Неравномерное распределение этого вещества могло повлиять на то, как впоследствии развивались два полушария.

Как гравитация Земли могла изменить Луну

Исследователи предложили сценарий, связывающий химические различия с ранней тепловой историей спутника.

Вначале глобальный океан магмы остывал и кристаллизовался относительно равномерно. В результате сформировались первые слои мантийного вещества и анортозитовая кора. Позже Луна оказалась в приливном захвате: период ее вращения синхронизировался с орбитальным движением, поэтому к Земле постоянно обращено одно и то же полушарие.

В ту эпоху Луна находилась гораздо ближе к нашей планете. По предложенной модели, приливные силы Земли обеспечивали более сильный нагрев ближней стороны спутника по сравнению с дальней. Возникшая разница температур могла запустить крупномасштабное горизонтальное движение расплавленной породы.

Горячая магма перемещалась от видимой стороны к обратной, увлекая за собой уже сформировавшийся магниевый материал. Со временем это могло привести к накоплению дополнительного вещества в коре обратного полушария — и помочь объяснить, почему она оказалась толще и богаче магнием.

Оставшийся расплав, согласно модели, преимущественно перемещался в противоположном направлении. В результате на видимой стороне сконцентрировалось больше поздних продуктов кристаллизации, включая материалы, обогащенные KREEP и ильменитом.

Почему это важно

Предложенная модель объясняет, как Луна могла получить сравнительно однородную по составу мантию и при этом столь разные полушария. Для этого необязательно предполагать, что исходный материал под каждой стороной спутника изначально сильно различался: достаточно неравномерного нагрева и перераспределения вещества в период, когда Луна еще сохраняла значительную часть недр в расплавленном состоянии.

Однако это пока объяснительный сценарий, а не окончательно установленная история формирования Луны. Новые образцы дают ученым редкую возможность проверять такие гипотезы непосредственно по составу пород, а не только по данным наблюдений с орбиты.

Дальнейшее изучение грунта с обратной стороны поможет уточнить, как именно формировались лунная кора и мантия и какую роль в этом сыграло взаимодействие Земли с ее ближайшим спутником.