Роберт Хейзен - История Земли. От звездной пыли – к живой планете. Первые 4 500 000 000 лет

По завершении рентгеновской и оптической обработки я брался за фантастический прибор под названием электронный микрозонд, чтобы определить точное соотношение элементов в моих образцах. Раз за разом я подтверждал то, что уже отмечалось до меня: минералы с поверхности Луны, в целом подобные аналогичным веществам на Земле, в деталях существенно отличаются от них. Например, в них содержится гораздо больше титана; различны они и по содержанию хрома.

Эти и ряд других данных, полученных при исследовании образцов, существенно ограничили круг теорий происхождения Луны. Прежде всего обнаружилось, что Луна значительно отличается от Земли, в частности, гораздо меньшей плотностью; она не обладает твердым, плотным железо-никелевым ядром. Ядро Земли составляет почти треть массы планеты, в то время как ядро Луны едва достигает 3 % от ее массы. Во-вторых, в лунных породах практически не встречается летучих элементов – тех, что испаряются в момент нагревания. В лунной пыли отсутствуют такие распространенные на Земле элементы, как азот, сера и водород. Их отсутствие означает, что в отличие от Земли, покрытой жидкой водой и изобилующей такими насыщенными водой веществами, как глина или слюда, среди минералов, доставленных с Луны «Аполлонами», не обнаружено веществ, содержащих воду. По каким-то причинам поверхность Луны подверглась взрыву или спеканию, что уничтожило летучие элементы, в результате чего Луна отличается крайней сухостью.

Третьим важнейшим фактором, обнаруженным в результате полетов «Аполлонов», стал кислород, точнее, распределение его изотопов. Каждый химический элемент определяется числом положительно заряженных протонов в его ядре. Это число всегда уникально: например, кислород известен как «атом с восемью протонами». Кроме того, атомные ядра содержат другой вид элементарных частиц – не несущие электрического заряда нейтроны. Более 99,7 % всех атомов кислорода во Вселенной имеют в составе ядра восемь нейтронов (вместе с восемью нейтронами они составляют изотоп, известный как кислород-16), а более редкие изотопы с девятью или десятью нейтронами (кислород-17 и кислород-18) исчисляются долями процента.

Кислород-16, кислород-17 и кислород-18 практически одинаковы по химическим свойствам (можно дышать любым, не ощущая никакой разницы), но отличаются по массе. Кислород-18 тяжелее кислорода-16. Соответственно при переходе кислородосодержащих соединений в другое состояние, например из твердого в жидкое или из жидкого в газообразное, менее массивный кислород-16 может удаляться гораздо быстрее. В период бурного рождения Солнечной системы такие переходы из одного состояния в другое совершались сплошь и рядом, что привело к изменению количества изотопов кислорода. Выяснилось, что соотношение кислорода-16 и кислорода-18 отличается на разных планетах и зависит от удаленности планеты от Солнца в момент ее формирования. Образцы лунного грунта показали, что пропорции изотопов кислорода на Луне и на Земле практически одинаковы. Иными словами, Луна и Земля в момент формирования находились почти на одном расстоянии от Солнца.

Как же сказались все эти открытия на трех соперничающих гипотезах о происхождении Луны? С самого начала под большим сомнением находилась теория совместного образования Земли и Луны из одного протопланетного сгустка, или совместной аккреции. Если бы Луна образовалась из остатков земного вещества, тогда их строение было бы примерно одинаково. Конечно, Луна схожа с Землей в том, что касается изотопов кислорода, но теория совместного формирования не в состоянии объяснить фундаментальные различия в содержании железа и летучих веществ. В целом состав лунного вещества значительно отличается от земного.

Различие в составе вещества ставит неразрешимые проблемы и перед гипотезой захвата. Теоретические модели движения планет предполагают, что захваченная планетезималь должна была сформироваться примерно на том же расстоянии от Солнца, что и Земля, а значит, совпадать с ней по составу. Луна не совпадает. Конечно, небесное тело размером с Луну могло образоваться и в другой части газово-пылевого облака и уже потом приблизиться к земной орбите, но компьютерное моделирование орбитальной динамики подсказывает, что в этом случае Луна должна была обладать высокой скоростью относительно Земли, а значит, и сценарий захвата тоже не выдерживает критики.

Остается Джордж Говард Дарвин и его теория разделения. Она успешно объясняет как сходство в соотношении изотопов кислорода (Земля и Луна являются единой системой), так и различие в содержании железа (ядро Земли к тому моменту уже сформировалось; сгусток вещества, образовавший Луну, представлял собой часть уже расслоившейся, бедной железом мантии Земли). Она прекрасно согласуется с тем, что Луна постоянно повернута к Земле одной стороной: вращения Луны вокруг Земли и вокруг собственной оси синхронны и совпадают по направлению движения. Однако при этом остается нерешенной важная проблема: куда же исчезли летучие элементы, отсутствующие на Луне?

Против теории разделения свидетельствуют и общие законы физики. Примерно ко времени программы «Аполлон» компьютерное моделирование формирования планет достигло такого уровня, что позволило теоретикам с уверенностью исследовать динамику быстрого вращения жидких сфероидов, равных по размеру Земле. Коротко говоря, разделение не может произойти. Гравитационная сила Земли слишком велика, чтобы позволить сгустку расплавленной породы оторваться и выйти на собственную орбиту. По существу, расплавленная Земля должна была бы вращаться вокруг собственной оси с невероятной скоростью, совершая полный оборот примерно за час, чтобы от нее оторвался равный Луне сгусток. Система Земля – Луна просто не обладает для этого достаточным моментом импульса.

Подведем итог: ни одна из трех господствующих теорий образования Луны не соответствует данным, полученным в результате полетов «Аполлона». Требуется иное объяснение.

У хорошего планетолога всегда есть в запасе новая теория. Данные наблюдений, полученные по программе «Аполлон», опровергли все три распространенные до 1969 г. теории образования Луны, однако ученым не понадобилось много времени, чтобы выступить с новой гипотезой на основании неопровержимых фактов. Новые данные о строении Луны свидетельствовали по крайней мере об одном: Луна более или менее похожа на Землю. Она совпадает с Землей по соотношению изотопов кислорода и по наличию большинства имеющихся на Земле элементов, но есть резкое расхождение в количестве железа и летучих веществ. Эти данные следовало привести в соответствие с орбитальными характеристиками, тысячи лет известными науке: Луна вращается вокруг Земли в той же плоскости и в том же направлении, что и другие планеты Солнечной системы. Земля имеет небольшой угол наклона оси примерно 23° (что вызывает смену времен года). Луна всегда повернута к нам одной стороной.