Эрик Асфог - Когда у Земли было две Луны. Планеты-каннибалы, ледяные гиганты, грязевые кометы и другие светила ночного неба

Спутник, который обращается вокруг планеты, меняет ее гравитационное поле. Изображая спутник справа, вы должны учесть силы Кориолиса. Когда вы это сделаете, силовые линии постоянного потенциала пролягут так, как на рисунке; они выглядят как линии обычного гравитационного поля, за исключением минимумов в троянских точках (L4 и L5, сверху и снизу), где может происходить захват вещества, обращающегося по орбите спутника. Есть и другие точки Лагранжа, например L1 между двумя телами и L2 сразу за спутником.

Erik Asphaug, gnuplot

Формирование Земли уже завершилось, но она представляет собой бурлящий хаос, тогда как Луна быстро собирается из протолунного диска. Маленькие тела попадают в ловушку около троянских точек системы Земля – Луна. Сатурн, будучи единственной планетой, в системе которой на сегодняшний момент есть троянские спутники, дает нам примеры того, что могло происходить. Калипсо и Телесто в два раза различаются по массе и делят свою орбиту с Тефией. Елена и Полидевк различаются по массе в 2000 раз и делят орбиту с Дионой. Если судить по этим данным, троянские спутники на орбите Луны могли отличаться по массе в 10–100 раз. Что важно, они должны были образоваться из того же материала, что и Луна, но совсем без железа.

Этот сценарий с двумя лунами основан на вполне вероятных исходах гигантских столкновений, но нам все равно нужно было задать некоторые параметры. Диаметр первого троянского спутника должен составлять примерно треть от диаметра Луны (соотношение масс 1 к 30), чтобы соответствовать дополнительному слою коры на обратной стороне, а второй, скорее всего, был во много раз меньше [303]и, возможно, оказался уничтожен градом обломков гигантских столкновений, который обрушился на систему Земля – Луна за следующий миллион лет. В любом случае этот спутник имеет гораздо меньшее геологическое значение. Через десяток миллионов лет более крупный спутник на своем месте и уже затвердел. Рука об руку с Луной троянцы мигрируют все дальше от Земли, пока в один прекрасный день не оказываются слишком далеко от нее и не выходят из своего транса.

Несколько дней спустя Мартин получил результаты компьютерного моделирования в низком разрешении и показал мне что-то вроде того, что изображено ниже, если не считать нескольких незначительных изменений. Мы не могли и предположить, что эти данные обретут такую популярность, что они будут опубликованы как в местных газетах наших родных городов, так и в печатных изданиях по всему миру; тогда мы просто в свое удовольствие пытались что-то понять. Рассматривая результат, мы вспоминали наши модели кометных нашлепок, в том смысле, что трение, судя по всему, удерживало тела вместе. Но из-за больших масс и значительных скоростей этого лунного столкновения ударяющее тело сплюснулось до состояния блина. Что куда важнее, оно осталось в своем кратере ! Это напоминало аварию-гармошку из миллиарда автомобилей.

Наша идея теперь превратилась в гипотезу, так что мы могли более тщательно поразмыслить над тем, как ее проверить, как бросить ей вызов. Самое неприятное – это попытаться опубликовать нечто, что в итоге окажется очевидно неверным, так что сначала надо попробовать доказать, что твое утверждение ложно. Наша идея хорошо работала только потому, что мы задали низкую скорость столкновения. Более быстрое соударение привело бы к более глубокому проникновению, в результате чего получилась бы не нашлепка, а ударный бассейн, вроде бассейна Южный Полюс – Эйткен. Это исключало из рассмотрения кометы и астероиды. Ударяющим телом тут мог быть только другой спутник Земли, поскольку что-либо, не принадлежащее системе Земля – Луна, летело бы со скоростью 10–20 км/с [304]. Возможно ли такое? Нам нравилась гипотеза с троянским спутником, потому что его стабильная орбита разрушилась бы, как детонатор у бомбы с часовым механизмом, через 10 млн лет после того, как Луна начала отдаляться от Земли.

Если вы смогли разместить предполагаемые события на шкале времени, вы уже на полпути к успеху в разработке своей гипотезы. Чтобы объяснить геологическую картину, предполагаемое столкновение троянского спутника с Луной должно было произойти после того, как оба тела в достаточной степени затвердели. Согласно моделям охлаждения, на это потребовалось от 1 до 10 млн лет. Тут гипотеза прекрасно работала, потому что, согласно приливной модели, через 10 млн лет лунная орбита должна была расшириться где-то до 20 земных радиусов – именно в этот момент очертания потенциальной «поверхности Лапласа» начинают определяться влиянием Солнца, а не Земли. «Углубления» в эластичном листе становятся менее заметными, и троянские спутники отправляются в свободное плавание.

Четыре стадии ударного события, сформировавшего, по Ютци и Асфогу (Jutzi and Asphaug, 2011), нагорья на обратной стороне Луны: первоначальный контакт, а также ситуация через 0,6, 1,4 и 2,8 часа. Ударяющее тело диаметром 1200 км, разумеется, создает кратер, но затем переполняет его. Самые светлые материалы соответствуют океану жидкой магмы под твердой корой, который выдавливается на видимую сторону Луны, внося свой вклад в аномалию KREEP.

Martin Jutzi, University of Bern, Switzerland

Позже в тот же день Мартин сравнил смоделированную нами топографию с реальной топографией Луны; наши данные соответствовали очертаниям бугра каменистых нагорий так же точно, как и модель застывшего приливного воздействия, но нам не нужно было объяснять отсутствие такого же бугра на видимой стороне Луны. Ого! Оно сработало! До этого мы не задумывались об астрофизике, геофизике или небесной динамике, но теперь нам пришлось ими заняться [305].

Это были расчеты совершенно нового типа – медленное столкновение огромных твердых планет с внутренним трением, – так что нам нужно было проверить наши результаты. Мы уже несколько лет тестировали эту программу на предмет соответствия элементарной физике пористости, сдавливания, трения и дробления, поэтому наши модели казались нам достоверными – до определенной степени. Но теперь мы явно вышли за рамки лаборатории. Нам было нужно что-то, с чем это сравнивать, какая-то точка отсчета. У нас были проверенные временем правила масштабирования кратерообразования, которые работают для плоских, полубесконечных планет; если применить их к Луне, тело диаметром 1300 км, ударившее со скоростью 2,4 км/с, должно было вытеснить всего одну пятую своего объема [306]. Это согласуется с нашими результатами: ударяющее тело переполняет собственный кратер.