Земная гравитация могла поддерживать активность вулканического ядра ранней Луны

Фото из открытых источников

Обычно мы представляем Луну как статичный, плавающий объект, который оставался неизменным практически на протяжении всей своей жизни, за исключением редких столкновений с астероидами. Это понимание основано на физике — Луна должна была быстро остыть после своего образования в результате столкновения огромной протопланеты с ранней Землей около 4,5 миллиардов лет назад. Однако некоторые образцы лунного материала, доставленные миссией «Чанъэ-5», образовались всего около двух миллиардов лет назад, но, по-видимому, имели вулканическое происхождение. 

Так как же мир, который, как предполагалось, стабилизировался без вулканической активности, оставался достаточно горячим, чтобы создать эти материалы более чем через два миллиарда лет после своего бурного образования? Новая статья Мяо Чена из Чэндуского технологического университета и его коллег, недавно опубликованная в журнале Planet, предлагает объяснение — приливный нагрев.

Давайте сначала разберемся в истории создания Луны. Наиболее вероятное предположение — она образовалась в результате столкновения другой ранней протопланеты, Теи, с Землей, в результате чего образовался обломок, который затем сконденсировался в Луну. Однако количество обломков было относительно небольшим — всего около четверти размера Земли, что означало, что внутреннее тепло, выделявшееся во время её образования, быстро рассеивалось, превращая Луну в геологически неактивную планету.

Но когда аппарат «Чанъэ-5» доставил на Землю образцы лунных базальтов из Океана Бурь, лабораторные исследования показали, что их возраст составляет всего около двух миллиардов лет. Базальты образуются только в действующих вулканах или других средах с аналогично высоким давлением и температурой. Среды, которые, по крайней мере, согласно традиционной геологической теории, не должны были существовать на Луне два миллиарда лет назад.

Несмотря на это, учёные пытались предложить другие решения. Радиоактивные элементы, такие как калий и уран, при распаде выделяют некоторое количество тепла. Но на Луне не осталось достаточно нераспавшегося материала, чтобы обеспечить количество тепла, необходимое для образования базальта два миллиарда лет назад. Удары астероидов могли вызывать локальные сильные тепловые всплески, но период интенсивной бомбардировки, в результате которой на Луне образовалось большинство кратеров, закончился задолго до образования базальта.

Поэтому авторы обратились к гравитации — а именно к явлению, называемому приливным нагревом. Это происходит, когда небесное тело сжимается, растягивается и деформируется, двигаясь по эллиптической орбите вокруг более крупного родительского тела. Возможно, самым известным примером этого в Солнечной системе является Ио. Этот спутник Юпитера постоянно извергает потоки из-за приливного сжатия, которому он подвергается во время своего движения по орбите вокруг самой большой планеты.

Очевидно, что в настоящее время Луна, похоже, не подвергается подобному сжатию. Однако два миллиарда лет назад Луна находилась гораздо ближе к Земле, чем сегодня, совершая оборот вокруг нашей планеты за шестнадцать дней, а не за двадцать семь, как сейчас. Ее орбита также была гораздо более эксцентричной, больше напоминая овал, чем круг. Все это означает, что сама Земля оказывала огромные ритмичные приливные силы на внутреннюю часть Луны в течение всего периода ее орбитального движения.

Астрономы всегда моделировали Луну как в основном однородную сферу, пытаясь понять, как на неё влияют гравитационные сжатия. Однако учёные понимали, что это упрощение — между ядром и мантией Луны существует зона сверхнизкой вязкости породы. Когда исследовательская группа ввела более реалистичное трёхмерное представление структуры мантии в моделирование конвекции, они заметили, что огромное количество энергии направлено конкретно в две симметричные области вдоль границы ядра и мантии Луны.

Эти регионы, которые они назвали зонами аномалий приливного нагрева (ЗАП), поглотили огромное количество энергии. Они подсчитали, что около 3,2 миллиарда лет назад, несмотря на то, что эти регионы занимали всего 2,5% от общего объема мантии, приливное напряжение в них выработало 150 гигаватт энергии — более чем в четыре раза больше, чем энергия, генерируемая радиоактивным распадом.

По всей видимости, это было движущей силой большей части геологической истории Луны. Это помогало поддерживать тепло в лунном ядре, что способствовало сохранению магнитного поля гораздо дольше, чем предсказывали первоначальные модели (и стало загадкой, когда ученые поняли, что образцы лунной породы, полученные в рамках программы «Аполлон», образовались, по-видимому, в сильном магнитном поле). Это также приводило к образованию огромных мантийных плюмов, которые раздувались в сторону коры. Миллиарды лет спустя, когда приливный механизм утих, эти изолированные участки мантии расплавились, образовав базальты, обнаруженные в образцах, полученных в рамках миссии «Чанъэ-5».

Если из теории, представленной в статье, и следует что-то ясно, так это то, что мы до сих пор мало знаем о геологической истории Луны. Эта новая модель предлагает изящные ответы на некоторые из самых насущных вопросов в этой области, но на данный момент это всего лишь теория. Возможно, некоторые из многочисленных лунных миссий, запланированных на следующее десятилетие, смогут предоставить более точные данные, которые наконец-то помогут решить эволюционные вопросы нашего ближайшего соседа.