
Несмотря на то, что люди размышляли о Луне с тех пор, как впервые посмотрели на небо, мы до сих пор многого о ней не знаем.
Один из таких нерешённых вопросов — история её происхождения. Мы считаем, что Луна образовалась после колоссального столкновения между Землёй и другим огромным объектом, в результате которого образовались два шара из расплавленной магмы. Но мы не знаем точно, когда и как это произошло.
Теперь учёные провели новые измерения лунных пород, доставленных миссиями «Аполлон», чтобы установить дату затвердевания Луны: 4,43 миллиарда лет назад.
В исследовании, опубликованном в Трудах Национальной академии наук группой учёных, в том числе из Чикагского университета, применялись передовые методы для сверхточных измерений содержания редких минералов в горных породах. Полученные результаты дополняют наше понимание истории формирования Луны и Земли.
Это позволяет определить точный возраст образования Луны, а также, возможно, время, когда Земля стала пригодной для жизни.
«На разработку этих методов у нас ушли годы, но мы получили очень точный ответ на вопрос, который долгое время вызывал споры», — сказал Николя Дофа, первый автор статьи, который возглавляет Лабораторию происхождения жизни в Чикагском университете и является профессором кафедры геофизических наук и Института Энрико Ферми.
Луна, метеориты и магма
Вот что мы знаем на данный момент.
Солнечная система сформировалась около 4,57 миллиарда лет назад. Вскоре после этого, по мере остывания, обломки начали сталкиваться и со временем образовывать планеты. Ученые считают, что очень крупный объект врезался в зарождающуюся Землю и что наша Луна образовалась из обломков, образовавшихся в результате этого столкновения.
По словам Дофа, это столкновение было чрезвычайно мощным, достаточным для того, чтобы расплавить камни. «Поэтому сначала мы должны представить себе большой шар из магмы, парящий в космосе вокруг Земли».
Луна быстро начала остывать. Большая часть лунного магматического океана затвердела почти сразу по геологическим меркам — примерно за одно тысячелетие.
Но как только около 80% магмы затвердело, образовалась минеральная корка, которая изолировала молодую Луну. «Это всё равно что надеть пальто в Чикаго, когда на улице холодно, — вы не будете так быстро терять тепло», — сказал Дофас. Это замедлило процесс охлаждения, и какое-то время у Луны была частично расплавленная мантия. Мы не смогли определить, как долго он оставался в таком состоянии, прежде чем полностью остыл и превратился в твёрдую породу.
Исследования образцов, доставленных миссиями «Аполлон», показали, что по мере того, как Луна медленно остывала, смесь определённых элементов поднималась вверх в частично расплавленной мантии — немного похоже на хлопьевидную белую соль, которая остаётся после испарения морской воды, — и образовывала отдельный слой. Ученые предположили, что если бы они смогли определить точный возраст этого слоя магмы, содержащего много калия, редкоземельных элементов и фосфора (сокращённо KREEP), то узнали бы, когда Луна на 99% кристаллизовалась.
Дофа и его коллеги задались вопросом, может ли ответ быть скрыт в лунных породах, доставленных астронавтами «Аполлона».
Лунные радиоактивные часы
Ключом к их подходу был анализ различных пропорций элементов. Один из элементов в KREEP — лютеций, который является слабо радиоактивным; на протяжении эонов он постепенно превращается в элемент гафний с предсказуемой скоростью. Таким образом, учёные могут определить, как давно образовалась конкретная горная порода. (Это похоже на то, как мы используем радиоуглеродный анализ, чтобы определить возраст археологических артефактов.)
В ранней Солнечной системе во всех породах было одинаковое количество лютеция. Но процесс затвердевания, в результате которого образовался KREEP, не благоприятствовал лютецию, поэтому в этом слое содержание лютеция ниже, чем в других породах той же эпохи.
Если бы учёные смогли очень точно измерить соотношение лютеция и гафния в лунных породах по сравнению с другими объектами той же эпохи, но из других мест Солнечной системы, например, метеоритами, они могли бы рассчитать, когда сформировался слой KREEP и, следовательно, когда Луна только начала остывать.
Проблема в том, что у нас есть только небольшие, но очень ценные образцы лунных пород. Поэтому команде, в которую входит Синди Си Чен, доктор философии, пришлось разработать чрезвычайно точные методы для разделения различных элементов.
Изучив крошечные образцы лунных пород, доставленные несколькими миссиями «Аполлон», они определили возраст Луны: 4,43 миллиарда лет назад.
Основываясь на других исследованиях, учёные считают, что Луне потребовалось бы около 20 миллионов лет, чтобы остыть до такого уровня. Если двигаться в обратном направлении, то получается, что сама Луна образовалась около 4,45 миллиона лет назад.
Это говорит нам не только об истории Луны, но и о формировании Земли, поскольку столкновение, в результате которого появилась Луна, вероятно, было последним крупным столкновением на Земле, которое ознаменовало дату, когда Земля, возможно, впервые стала стабильной и пригодной для жизни.
«Это открытие хорошо согласуется с другими данными — это отличное место для подготовки к получению новых знаний о Луне в рамках миссий «Чанъэ» и «Артемида», — сказал Дофас. «У нас есть ряд других вопросов, на которые мы ждём ответов».
Дофас сказал, что посвятил исследование памяти своей жены и коллеги-геохимика Рейки Йокочи, профессора-исследователя из Чикагского университета, которая скончалась в 2024 году. «Она сыграла важную роль во всех аспектах моих исследований», — сказал он.
Источник: Proceedings of the National Academy of Sciences, Чикагский университет
На изображении:
Художественная иллюстрация того, как могла выглядеть частично расплавленная Луна.
Источник: Центр космических полётов Годдарда НАСА