Земля образовалась более 4,6 миллиарда лет назад из смеси пыли и газа вокруг молодого Солнца. Она становилась больше благодаря бесчисленным столкновениям между частицами пыли, астероидами и другими растущими планетами, в том числе последним гигантским столкновением, в результате которого в космос было выброшено достаточно камня, газа и пыли, чтобы сформировать Луну.
Хотя горные породы, которые фиксируют самые ранние части истории Земли, были разрушены или деформированы в результате более чем четырех миллиардов лет геологических процессов, ученые могут использовать современные горные породы, образцы луны и метеориты, чтобы выяснить, когда и как образовались Земля и Луна.
Как образовались Земля и Луна?
Земля, как и все другие планеты Солнечной системы, начала свою жизнь как диск из пыли и газа, вращающийся вокруг молодого Солнца. Частицы пыли были объединены силами сопротивления, чтобы сформировать глыбы породы, которые выросли в "планетезимали" от десятков до сотен километров в поперечнике, а затем в "протопланеты" размером с Марс, пройдя долгий путь столкновений друг с другом.
Земля выросла до своего окончательного размера в результате последнего крупного столкновения с другим объектом размером с Марс. Это последнее столкновение, также известное как "лунное столкновение", было настолько большим, что — помимо добавления большого количества материала на Землю — было достаточно энергии для испарения части горных пород и металла как с протоземли, так и с врезавшегося в него тела. Этот пар сформировал диск вокруг Земли, который в конечном итоге охладился и собрался вместе, превратившись в Луну.
Мы знаем это благодаря тщательным исследованиям метеоритов и образцов горных пород, в том числе в Чикагском университете в 20-м и 21-м веках.
Понимание того, как образовались Земля и Луна, важно для того, чтобы собрать воедино историю Солнечной системы и ответить на такие вопросы, как: время, необходимое для формирования планет, из чего состоят планеты и что делает планету пригодной для жизни. Это также направляет ученых-планетологов в их поисках других пригодных для жизни (или обитаемых!) миров в нашей солнечной системе и за ее пределами!
Как и когда образовалась протоземля?
Ученые теперь считают, что история Земли началась около 4,6 миллиарда лет назад в дискообразном облаке пыли и газа, вращающемся вокруг раннего Солнца, состоящем из материала, оставшегося после образования Солнца.
Внутри этого диска частицы газа и пыли разного размера вращались вокруг Солнца с немного разной скоростью, позволяя им сталкиваться друг с другом и слипаться. В конце концов, они выросли из крошечных пылинок в валуны, а затем в более крупные "планетезимали", размер которых был крайне разнообразен.
Поскольку эти планетезимали были больше, чем валуны, у них была достаточно сильная гравитация, чтобы вывести соседние планетезимали с орбит и поглотить их в результате столкновений, позволяя некоторым планетезимали становиться все больше и больше, пока они не достигнут тысяч километров в диаметре — размером с Луну или Марс.
Откуда нам это известно?
Ключ к пониманию этих процессов — метеориты. Они приносят на Землю множество различных материалов со всей Солнечной системы, котоыре могут изучать ученые. Эти материалы включают хондры — крошечные частицы пыли и камня, которые сохранились до образования планет, а также части астероидов и планетезималей, оставленные в процессе строительства планет. Радиоактивные элементы, такие как уран и гафний, задерживаются внутри минералов, из которых состоят эти объекты, когда они образуются, что позволяет планетологам определять их возраст.
Используя эти измерения и моделирование физики столкновений пыли и планетезималей, ученые-планетологи и астрономы установили, что процесс превращения пыли в протопланету занимает десятки миллионов лет.
Но заключительный этап формирования планет в нашей солнечной системе мог занять гораздо больше времени — до ста миллионов лет или около того. Это было не только последнее крупное добавление материала к Земле, но и событие, сформировавшее Луну, и это одна из самых обсуждаемых частей истории.
Как образовалась луна?
Учеными было предложено несколько различных теорий формирования Луны. Однако история, которая лучше всего подтверждается всеми доступными данными, заключается в том, что Луна образовалась во время мощного столкновения между протоземлей и другой протопланетой размером примерно с Марс, иногда именуемой "Тейя".
Согласно этой теории, Луна образовалась из обломков — смеси расплавленной породы и горячего газа — выброшенных в космос в результате удара, потенциально образуя диск материала, известный как "лунная синестия".
Альтернативные теории, предложенные учеными, включают:
- Луна откололась от Земли (Теория деления);
- Луна образовалась в другом месте Солнечной системы и была захвачена земной гравитацией (Теория захвата);
- Земля и Луна образовались из протопланетного диска одновременно (Соформирование).
Почему именно так?
Образцы горных пород с Луны, принесенные на Землю лунными метеоритами и высадками Аполлона на Луну, могут быть использованы для понимания истории Луны и ее связи с Землей через химию их минералов.
Ученые-планетологи, такие как профессор Николас Дауфас и профессор Энди Дэвис с факультета геофизических наук Чикагского университета, проводят точные измерения лунных образцов, чтобы точно определить, из чего они сделаны, и идентифицируют химические отпечатки различных геологических процессов, таких как плавление, и перемешивание горных пород и испарение газов.
Первая важная подсказка о том, откуда взялась Луна, связана с кислородом. Кислород, как и многие другие элементы, может существовать в нескольких формах, известных как изотопы. Различные типы метеоритов, приходящие от астероидов, оставшихся в Солнечной системе после образования планет, имеют разные пропорции каждого из этих изотопов кислорода. Таким образом, измеряя изотопы кислорода на данной планете, ученые-планетологи могут вычислить различные типы астероидов, которые столкнулись, чтобы сформировать планету. Лунные образцы имеют очень похожий на Землю состав изотопов кислорода.
Некоторые ученые считают, что изотопы кислорода возникли из-за того, что объект, поразивший Землю, состоял из той же смеси метеоритов, что и сама Земля, что потенциально предполагает, что планета-ударник сформировалась поблизости в Солнечной системе.
Другие ученые предполагают, что после удара весь кислород смог перемещаться в горячем паре, окружающем Землю и Луну, смешивая все различные изотопы и стирая любые первоначальные различия между Землей и Тейей.
Однако есть много различий между химическим составом Земли и Луны. При высоких температурах, достигнутых во время столкновений с планетами, многие элементы, которые мы не привыкли воспринимать как газы, такие как калий, цинк и натрий, могут существовать в виде пара. Концентрации этих "летучих" элементов в лунных породах намного ниже, чем в породах Земли.
Одна из возможностей состоит в том, что горячие обломки столкнулись с долгим временем, чтобы испарить эти элементы, прежде чем они собрались вместе и образовали Луну. Другой заключается в том, что когда образовалась Луна, она была очень горячей, с глубокими океанами магмы, а низкая гравитация и отсутствие атмосферы на Луне позволили летучим элементам, которые не могли ускользнуть от более крупного объекта, испариться в космос.
Оба эти доказательства трудно объяснить без гигантского воздействия. Ударное происхождение Луны обеспечивает высокие температуры, необходимые для объяснения нехватки калия, цинка и натрия на Луне, а также возможность большого смешения между протоземлей и материалом, который станет Луной. Но когда произошло это столкновение?
Когда образовалась Луна?
Ученые считают, что Луна образовалась во время гигантского удара примерно через 60-175 миллионов лет после рождения Солнечной системы. Чтобы получить эту оценку, они могут использовать камни с Земли.
По мере роста крупных планетезималей тепло, выделяемое при повторяющихся ударах и радиоактивном распаде элементов внутри их минералов, достаточно, чтобы вызвать плавление. Это позволяет разделять материалы с разной плотностью, при этом металлы, такие как железо и никель, опускаются внутрь, образуя ядро, а более легкие породы "плавают" наверху.
К моменту лунного удара Земля уже была разделена на эти слои породы и металла. Однако интенсивная сила и высокая температура удара расплавили протоземлю, повторно смешав отделившуюся породу и металл. После этого смешивания Земля все еще была достаточно горячей, чтобы снова произошло разделение и сформировать новые слои горных пород и металлов — это ключ к датировке, когда образовалась Луна!
Когда камни и металлы смешиваются, они могут менять местами определенные элементы. Такие элементы, как гафний, предпочитают смешивать с твердыми породами, а не с металлом. Гафний распадается примерно за 10 миллионов лет с образованием вольфрама. Впервые Земля остыла и разделилась на слои горных пород и металлов в начале истории Солнечной системы, поэтому в скальном слое Земли было много гафния, потому что он еще не успел распасться до вольфрама. К тому времени, когда произошло лунное столкновение, большая часть этого раннего гафния распалась до вольфрама. Такие элементы, как вольфрам, предпочитают смешивать с металлом, поэтому, когда удар снова смешал Землю, вновь образованный вольфрам погрузился в металлическое ядро. Это создало скалистый внешний слой с более низкой концентрацией гафния, чем раньше, и металлический сердечник с гораздо большим количеством вольфрама в нем.
Сегодня весь гафний ушел, потому что у него короткий период полураспада по сравнению с возрастом Земли. Однако не все потеряно — это делает его очень полезным для определения времени событий в первые сто миллионов лет истории Солнечной системы. Концентрация вольфрама в породах Земли зависит от того, когда произошло самое недавнее разделение на слои породы и металла. Концентрация вольфрама в породах Земли слишком мала, чтобы ее можно было объяснить ранним разделением металла и породы, а это значит, что что-то должно было перемешать слои Земли. Лучшее объяснение тепла и энергии, необходимых для этого, — это гигантский удар примерно через 60-175 миллионов лет после рождения Солнечной системы.
Как выглядела ранняя Земля?
После удара Земля сильно отличалась от того мира, который мы видим сегодня! Там, где у современной Земли есть океаны, покрывающие большую часть ее поверхности, ранняя Земля была покрыта океаном магмы — слоем расплавленной породы на сотни километров глубиной, расплавленной энергией, высвободившейся во время столкновения. Любая присутствующая вода будет существовать только в виде водяного пара в атмосфере.
Если и этого было недостаточно, то раннее Солнце также было гораздо более активным, чем сегодня, испаряя всю солнечную систему ультрафиолетовым излучением, достаточно мощным, чтобы испарить целые атмосферы.
Со временем, после того как магматический океан достаточно остыл, чтобы сформировать твердую поверхность, атмосфера Земли пополнилась извержениями вулканов, а также водой и другими газами, доставленными кометами и метеоритами, врезавшимися в поверхность.
Это был также первый шаг к развитию тектоники плит на нашей планете. Тектоника плит описывает гигантские "плиты" коры, которые медленно перемещаются вокруг поверхности Земли в течение сотен миллионов лет; он не только производит новые породы на вулканах, где плиты расходятся, но также может перерабатывать горные породы с поверхности Земли и атмосферы обратно во внутреннюю часть, где плиты собираются вместе. Этот процесс, известный как "субдукция", переносит скалы, воду и углекислый газ, захваченные минералами, обратно в недра Земли, где они могут вызвать будущие извержения вулканов, продолжая тектонический цикл плит.
Некоторые ученые-планетологи считают, что тектоника плит необходима для развития жизни на планете. Это связано с тем, что повторяющееся образование и разрушение коры тектоникой плит одновременно высвобождает углекислый газ в атмосферу и удаляет его, помогая поддерживать температуры на Земле одинаковыми (и комфортными для микробов, рыб и людей!) На протяжении миллиардов лет.
Однако вопрос о том, имеет ли планета тектоника плит, гораздо сложнее, чем просто наличие твердой поверхности, и также может зависеть от типов и количества различных астероидов, планетезималей и протопланет, из которых состоит Земля, из-за того, как разные химические вещества и минералы может изменить поведение внутренних частей планеты за миллиарды лет.
Как выглядела ранняя луна?
Большинство из нас представляют Луну как пустынное серое место с кратерами и не более того, но на протяжении большей части своей истории она была на удивление геологически активной. Как и Земля, Луна начиналась с толстого слоя расплавленной породы на ее поверхности.
Однако, в отличие от Земли, поверхность Луны не остыла, чтобы сформировать тектонические плиты. Вместо этого он имеет толстую корку, почти полностью состоящую из светлого минерала, называемого полевым шпатом. Полевой шпат — это основной материал, из которого состоят яркие области, которые мы видим на Луне сегодня, также известные как лунное нагорье. По мере охлаждения океана магмы полевой шпат кристаллизовался и был достаточно легким, чтобы подняться на поверхность Луны поверх других минералов и оставшейся магмы.
Однако образование корки полевого шпата не означало конца геологической активности на Луне. Тепло, оставшееся от удара, а также большее количество тепла, выделяемого радиоактивными элементами, смогли расплавить горную породу глубоко в полдень, чтобы заправить вулканы на ее поверхности. В результате этого таяния образовался базальт — своего рода темная порода, обычно встречающаяся на вулканах на Земле сегодня в таких местах, как Гавайи и Исландия. Базальт рассыпался по поверхности Луны на сотни километров, образуя "кобылу" (что на латыни означает "моря") толщиной до мили. Эти кобылы покрывают около 16% поверхности Луны и видны невооруженным глазом в виде темных пятен на Луне.
Ученые-планетологи могут сказать, что базальтовые кобылы моложе высокогорья из полевого шпата, используя количество кратеров на разных поверхностях. У кобылы меньше кратеров на верхней поверхности, чем на высокогорье, потому что у них было меньше времени на попадание астероидов и метеоритов. Считается, что самой молодой кобыле всего 1,1 миллиарда лет, что означает, что вулканы все еще извергались на Луне через два миллиарда лет после самых ранних подтвержденных свидетельств существования жизни на Земле!
Еще одной особенностью ранней Луны была ее орбита. Сегодня Луна ежегодно удаляется примерно на 1,5 дюйма от Земли . Ученые-планетологи рассчитали расстояние между Землей и Луной в обратном направлении и обнаружили, что Луна была в семнадцать раз ближе (22 500 киломтеров против 400 000), когда формировалась.
Это изменяющееся расстояние между Землей и Луной является важным ключом к пониманию деталей лунно-образующего воздействия, поскольку изменение размера, скорости и углов приближения ударников в моделировании формирования Луны изменяет орбиту последней системы Земля-Луна. Ученым-планетологам нужно найти симуляцию столкновения, которая могла бы соответствовать не только химическому составу Луны, но также тому, как далеко она была от Земли и как быстро она первоначально вращалась.
Остается много вопросов
Хотя ученые согласны с тем, что Луна образовалась из-за удара, детали удара все еще обсуждаются. Ученые до сих пор не согласны с тем, насколько велик был поражающий объект, с какой скоростью он двигался, из чего он был сделан и даже следует ли называть его "Тейя". Некоторые ученые даже утверждают, что Луну могло образоваться несколько ударов, а не один!
Лабораторные эксперименты помогают ученым лучше понять, что происходит с различными типами горных пород и элементами в экстремальных условиях сильных столкновений. Исследовательская группа профессора Николаса Дауфаса из Калифорнийского университета в Чикаго испаряет металлы в вакууме, чтобы смоделировать условия, существующие в облаке ударных обломков, чтобы попытаться объяснить, почему в лунных породах гораздо меньше таких элементов, как натрий, цинк и калий, по сравнению с Землей.
Однако некоторые эксперименты могут оказаться слишком большими для лаборатории, поэтому компьютерное моделирование также используется для исследования удара, образующего луну. Это моделирование позволяет ученым виртуально сталкивать протоземлю и различные типы планетезималей на разных скоростях и под разными углами, чтобы выяснить, какие комбинации свойств способны сформировать Луну с размером и орбитой, которые мы видим сегодня.
В будущем новые образцы с Луны могут дать ученым-планетологам более широкий спектр различных типов лунных горных пород для работы. Это важно, потому что новые образцы могут записывать различные фрагменты истории Луны, которых нет в существующих лунных камнях, доставленных миссиями Аполлона. По мере совершенствования методов измерения ученые-планетологи также смогут измерять новые химические признаки в лунных породах и улучшать существующие измерения. Чем больше у ученых измерений, тем больше способов они могут проверить различные теории о том, как образовалась наша Луна, о ее отношениях с Землей и, возможно, даже о том, как луны могут рождаться вокруг других планет, далеко за пределами нашей Солнечной системы!