Около 4,5 миллиардов лет назад небольшая планета врезалась в молодую Землю, выбросив расплавленную породу в космос. Медленно обломки сливались, охлаждались и затвердевали, образуя нашу луну. С этим сценарием возникновения Луны на Земле в основном согласны большинство ученых. Но подробности того, как именно это произошло, «скорее приключенческий роман», по мнению исследователей из Лунной и Планетарной лаборатории Университета Аризоны, опубликовавших статью в журнале Nature Geoscience.
Полученные результаты дают важную информацию об эволюции недр Луны и, возможно, таких планет, как Земля или Марс.
Большая часть того, что известно о происхождении Луны, получена из анализа образцов горных пород, собранных астронавтами Аполлона более 50 лет назад, в сочетании с теоретическими моделями. Образцы базальтовых лавовых пород, доставленные с Луны, показали удивительно высокие концентрации 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, остается загадкой — до сих пор.
Поскольку Луна сформировалась быстро и жарко, она, вероятно, была покрыта глобальным океаном магмы. По мере того как расплавленная порода постепенно остывала и затвердевала, она сформировала мантию Луны и яркую корку, которую мы видим, когда смотрим ночью на полную луну. Но глубже под поверхностью молодая луна была совершенно не в равновесии. Модели предполагают, что последние остатки океана магмы кристаллизовались в плотные минералы, включая ильменит, минерал, содержащий титан и железо.
«Поскольку эти тяжелые минералы плотнее мантии под ней, они создают гравитационную нестабильность, и можно ожидать, что этот слой погрузится глубже в недра Луны», — сказал руководитель исследования Вейган Лян.
Каким-то образом в последующие тысячелетия этот плотный материал все же погрузился внутрь, смешался с мантией, расплавился и вернулся на поверхность в виде потоков лавы, богатых титаном, которые мы видим на поверхности сегодня.
«Наша Луна буквально вывернулась наизнанку», — сказал соавтор исследования Джефф Эндрюс-Ханна. «Но было мало вещественных доказательств, которые могли бы пролить свет на точную последовательность событий на этом критическом этапе лунной истории, и существует много разногласий в деталях того, что произошло — в буквальном смысле».
Этот материал тонул по мере формирования понемногу или весь сразу после того, как Луна полностью затвердела? Опустился ли он глобально внутрь, а затем поднялся на ближней стороне, или мигрировал на ближнюю сторону, а затем затонул? Он утонул в одной большой капле или в нескольких каплях поменьше?
«Не имея доказательств, вы можете выбрать свою любимую модель. Каждая модель имеет глубокие последствия для геологической эволюции нашей Луны», — сказал соавтор Адриен Броке.
В предыдущем исследовании, проведенном Наном Чжаном из Пекинского университета в Пекине, который также является соавтором последней статьи, модели предсказали, что плотный слой богатого титаном материала под корой сначала мигрировал на ближнюю сторону Луны, возможно, вызванный гигантским ударом на обратной стороне, а затем погрузившийся во внутреннюю часть Луны в виде сети пластинчатых плит, ниспадающих в недра Луны почти как водопады. Но когда этот материал затонул, он оставил после себя небольшой остаток в виде геометрического узора из пересекающихся линейных тел плотного богатого титаном материала под корой.
«Когда мы увидели эти предсказания модели, это было похоже на то, как будто зажглась лампочка», — сказал Эндрюс-Ханна, — «потому что мы видим точно такую же картину, когда смотрим на тонкие изменения в гравитационном поле Луны, обнаруживая сеть плотного материала, скрывающуюся под ней».
В новом исследовании авторы сравнили моделирование опускающегося слоя, богатого ильменитом, с набором линейных гравитационных аномалий, обнаруженных миссией НАСА GRAIL, два космических корабля которой вращались вокруг Луны в период с 2011 по 2012 год, измеряя крошечные изменения ее гравитационного притяжения. Эти линейные аномалии окружают обширную темную область на ближней стороне Луны, покрытую вулканическими потоками.
Авторы обнаружили, что гравитационные характеристики, измеренные миссией GRAIL, согласуются с моделированием слоя ильменита и что гравитационное поле можно использовать для составления карты распределения остатков ильменита, оставшихся после погружения 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 в виде пластинчатых каскадов, оставляя после себя следы, которые вызывают аномалии в гравитационном поле Луны, как это видно с помощью GRAIL».
Наблюдения команды также ограничивают время этого события: линейные гравитационные аномалии прерываются крупнейшими и старыми ударными бассейнами на ближней стороне и, следовательно, должны были образоваться раньше. Основываясь на этих взаимосвязях, авторы предполагают, что богатый ильменитом слой затонул ранее 4,22 миллиарда лет назад, что согласуется с тем, что он способствовал более позднему вулканизму, наблюдавшемуся на поверхности Луны.
«Анализ этих изменений в гравитационном поле Луны позволил нам заглянуть под поверхность Луны и увидеть, что находится под ней», — сказал Броке.
В то время как обнаружение аномалий лунной гравитации дает доказательства погружения плотного слоя недр Луны и позволяет более точно оценить, как и когда произошло это событие, то, что мы видим на поверхности Луны, добавляет еще больше интриги в историю. история, по мнению исследовательской группы.
«Луна принципиально однобокая во всех отношениях», — сказал Эндрюс-Ханна, объяснив, что ближняя сторона, обращенная к Земле, и особенно темная область, известная как область Oceanus Procellarum, находится ниже по высоте, имеет более тонкую кору и в основном покрыта течет лава и имеет высокие концентрации обычно редких элементов, таких как титан и торий.
Дальняя сторона отличается в каждом из этих аспектов. Почему-то считается, что переворот лунной мантии связан с уникальной структурой и историей ближнего региона Procellarum. Но детали этого переворота стали предметом серьезных споров среди ученых.
«Наша работа соединяет точки между геофизическими данными внутренней структуры Луны и компьютерными моделями ее эволюции», — добавил Лян.
«Впервые у нас есть вещественные доказательства, показывающие, что происходило внутри Луны на этом критическом этапе ее эволюции, и это действительно интересно», — сказал Эндрюс-Ханна. «Оказывается, самая ранняя история Луны записана под поверхностью, и потребовалось лишь правильное сочетание моделей и данных, чтобы раскрыть эту историю».
«Остатки ранней лунной эволюции сегодня присутствуют под корой, и это завораживает», — сказал Броке. «Будущие миссии, например, с использованием сейсмической сети, позволят лучше изучить геометрию этих структур».
Лян добавил: «Когда астронавты Артемиды в конечном итоге высадятся на Луну, чтобы начать новую эру человеческих исследований, у нас будет совсем другое понимание нашего соседа, чем когда астронавты Аполлона впервые ступили на нее».
