Около 4,5 миллиардов лет назад маленькая планета врезалась в молодую Землю, выбросив расплавленную породу в космос. Постепенно обломки слипались, остыли и затвердели, сформировав нашу Луну. С этим сценарием того, как появилась Луна на Земле, в значительной степени согласны большинство ученых, сообщает «phys.org».
Но подробности того, как именно это произошло, «больше похожи на приключенческий роман «выбери себе сам», по словам исследователей из Лунной и планетарной лаборатории Университета Аризоны, которые опубликовали статью в Nature Geoscience.
Полученные данные дают важную информацию об эволюции лунных недр и, возможно, для таких планет, как Земля или Марс.
Большая часть того, что известно о происхождении Луны, исходит из анализа образцов горных пород, в сочетании с теоретическими моделями.
Образцы базальтовых лавовых пород, привезенных с Луны, показали удивительно высокую концентрацию титана. Более поздние спутниковые наблюдения показали, что эти богатые титаном вулканические породы в основном расположены на ближней стороне Луны, но как и почему они туда попали, до сих пор оставалось загадкой.
Из-за того, что Луна сформировалась быстро и горячо, она, вероятно, была покрыта глобальным океаном магмы. По мере того, как расплавленная порода постепенно остывала и затвердевала, она сформировала мантию Луны и яркую кору, которую мы видим, когда смотрим на полную луну ночью. Но глубоко под поверхностью молодая Луна находилась в состоянии дикого равновесия. Модели показывают, что последние остатки океана магмы кристаллизовались в плотные минералы, включая ильменит, минерал, содержащий титан и железо.
«Поскольку эти тяжелые минералы плотнее, чем мантия под ними, это создает гравитационную нестабильность, и можно было бы ожидать, что этот слой погрузится глубже в недра Луны», — сказал Вэйган Лян, который руководил исследованием в рамках своей докторской работы в LPL.
Каким-то образом в последующие тысячелетия этот плотный материал погрузился внутрь, смешался с мантией, расплавился и вернулся на поверхность в виде богатых титаном потоков лавы, которые мы видим на поверхности сегодня.
«Наша Луна буквально вывернула себя наизнанку», — сказал соавтор и доцент LPL Джефф Эндрюс-Ханна. «Но было мало физических доказательств, чтобы пролить свет на точную последовательность событий во время этой критической фазы лунной истории, и есть много разногласий в деталях того, что произошло — в буквальном смысле».
Погружалось ли это вещество по мере того, как оно формировалось, понемногу или все сразу, после того, как Луна полностью затвердела? Погрузилась ли она в недра глобально, а затем поднялась на ближнюю сторону, или она мигрировала на ближнюю сторону, а затем опустилась?
«Без доказательств вы можете выбрать свою любимую модель. Каждая модель имеет глубокое значение для геологической эволюции нашей Луны», — сказал соавтор исследования Адриен Броке (Adrien Broquet) из Немецкого аэрокосмического центра в Берлине, который работал в качестве научного сотрудника в LPL.
В предыдущем исследовании, проведенном под руководством Нан Чжана из Пекинского университета в Пекине, который также является соавтором последней статьи, модели предсказывали, что плотный слой богатого титаном материала под корой сначала мигрировал на ближнюю сторону Луны, возможно, вызванный гигантским ударом на обратной стороне, а затем погрузился внутрь в виде сети листовых плит низвергшихся в недра Луны почти как водопады. Но когда этот материал затонул, он оставил после себя небольшой остаток в виде геометрического узора пересекающихся линейных тел из плотного материала, богатого титаном, под корой.
«Когда мы увидели эти предсказания, это было похоже на то, как будто загорелась лампочка, — говорит Эндрюс-Ханна, — потому что мы видим точно такую же картину, когда смотрим на тонкие вариации гравитационного поля Луны, выявляя сеть плотного материала, скрывающегося под корой».
В новом исследовании авторы сравнили моделирование тонущего слоя, богатого ильменитом, с набором линейных гравитационных аномалий, обнаруженных миссией НАСА GRAIL, два космических аппарата которой вращались вокруг Луны в период между 2011 и 2012 годами, измеряя крошечные вариации ее гравитационного притяжения. Эти линейные аномалии окружают обширную темную область ближней стороны Луны, покрытую вулканическими потоками, известными как mare (лат. «море»).
Авторы обнаружили, что гравитационные сигнатуры, измеренные миссией GRAIL, согласуются с моделированием ильменитовых слоев, и что гравитационное поле может быть использовано для картографирования распределения остатков ильменита, оставшихся после опускания большей части плотного слоя.
«Наш анализ показывает, что модели и данные рассказывают одну удивительно последовательную историю», — сказал Лян. "Ильменитовые материалы мигрировали на ближнюю сторону и погружались внутрь пластообразными каскадами, оставляя после себя рудименты, которые вызывают аномалии в гравитационном поле Луны, как это видно с помощью GRAIL".
Наблюдения команды также ограничивают время этого события: аномалии линейной гравитации прерываются самыми большими и старыми ударными бассейнами на ближней стороне и, следовательно, должны были сформироваться раньше. Основываясь на этих сквозных взаимосвязях, авторы предполагают, что богатый ильменитом слой опустился до 4,22 миллиарда лет назад, что согласуется с тем, что он способствовал более позднему вулканизму, наблюдаемому на лунной поверхности.
«Анализ этих вариаций гравитационного поля Луны позволил нам заглянуть под поверхность Луны и увидеть, что находится под ней», — сказал Броке, который работал с Ляном, чтобы показать, что аномалии в гравитационном поле Луны соответствуют тому, что можно было бы ожидать для зон плотного богатого титаном материала, предсказанных компьютерными имитационными моделями переворота Луны.
«Луна фундаментально однобока во всех отношениях», — сказала Эндрюс-Ханна, пояснив, что ближняя сторона, обращенная к Земле, и особенно темная область, известная как область Oceanus Procellarum, находится ниже по высоте, имеет более тонкую кору, в значительной степени покрыта потоками лавы и имеет высокую концентрацию обычно редких элементов, таких как титан и торий.
Дальняя сторона отличается в каждом из этих аспектов. Считается, что каким-то образом переворот лунной мантии связан с уникальной структурой и историей ближней стороны области Procellarum. Но детали этого переворота были предметом серьезных споров среди ученых.
«Наша работа соединяет точки между геофизическими доказательствами внутренней структуры Луны и компьютерными моделями ее эволюции», — добавил Лян.
«Впервые у нас есть физические доказательства, показывающие, что происходило в недрах Луны во время этой критической стадии ее эволюции, и это действительно захватывающе», — сказала Эндрюс-Ханна. «Оказывается, что самая ранняя история Луны написана под поверхностью, и просто потребовалось правильное сочетание моделей и данных, чтобы раскрыть эту историю».
«Следы ранней лунной эволюции сегодня присутствуют под корой, что завораживает», — сказал Броке. «Будущие миссии, например, с сейсмической сетью, позволят лучше исследовать геометрию этих структур».