До сих пор лидировали две модели образования Луны в результате удара космического тела о Землю. Согласно одной — низкоэнергетические удары о Землю вызвали образование Луны из силикатной атмосферы. По другой модели, удар о прото-Землю был столь сильныv, что испарил мантийное вещество, и привел к образованию Луны. В работе, опубликованной в онлайн-версии Nature, ученые из США привели экспериментальные аргументы в пользу второй модели.
Впервые гипотезу образования Луны из прото-Земли в результате удара сформулировали еще в середине 1970-х годов. Гипотеза объясняла такое ключевое обстоятельство, как большой размер спутника по сравнению с Землей, и ее приняло научное сообщество. В 2001 году выяснилось, что изотопный состав разных элементов в земных и лунных породах почти идентичнен. Это не вписывалось в гипотезу ударного происхождения Луны, ведь изотопный состав космического тела, которое прилетело откуда-то и врезалось в Землю, должен был быть другим. Просто вероятность совпадения его с составом Земли исчезающе мала.
Ударная гипотеза пребывала в кризисе, разрешить который мог более точный изотопный анализ пород Земли и ее спутника. Однако опубликованный в этом году результат анализа изотопов кислорода подтвердил, что изотопный состав образцов обоих тел одинаков. «Это самые точные измерения, на которые мы способны, и они все еще идентичны. Так что люди решили изменить ударную гипотезу, чтобы Луна получалась из земного материала, а не из материала ударного тела. Есть много моделей, но только две стали лидирующими», — сказал Кун Вэнг (Kun Wang), один из авторов статьи, геохимик из Вашингтонского университета.
Модель, предложенная в прошлом году, гласит, что удар тела о Землю был очень сильный, так что ударное тело и мантия Земли испарились и смешались, образовав плотную атмосферу. Атмосфера раздалась, заполнив пространство объемом более чем в 500 раз превышающим объем нынешней Земли. При остывании той ударной атмосферы образовалась Луна.
По мнению Вэнга, сильное перемешивание ударной атмосферы объясняет изотопный состав Земли и Луны. Мантийная атмосфера представляла собой суперкритический флюид без явной жидкой или газовой фаз. Суперфлюид может течь через твердое тело, как газ, и растворять материалы, как жидкость.
В 2015 году Вэнг вместе с коллегой Штайном Якобсеном (Stein Jacobsen) из Гарвардского университета создали технологию анализа изотопов калия в десять раз точнее существующих. У калия три стабильных изотопа, но только двух из них, калия-41 и калия-39, достаточно для анализа. Вэнг и Якобсен изучили образцы лунных пород, собранных в разных миссиях, и сравнили их с соотношением изотопов калия в восьми образцах пород земной мантии. Выяснилось, что лунные породы обогащены калием-41 на примерно 0,4 частей на тысячу.
Авторы статьи уверены, что только полная конденсация калия из пара во время образования Луны может объяснить разделение изотопов калия. Расчеты показали, что если бы этот процесс случился в абсолютном вакууме, он привел бы к обогащению тяжелым изотопом калия лунных пород до примерно 100 частей на тысячу. Но высокое давление суперфлюида подавило фракционирование. По этой причине ученые предположили, что Луна сконденсировалась при давлении более 10 бар, что примерно в 10 раз больше атмосферного давления на Земле.
Таким образом, данные Вэнга и Якобсена подтверждают модель мантийной атмосферы, образовавшейся при сильном ударе космического тела о Землю.
