Рождение Луны «перевернуло» Землю

Астрофизики из Института SETI, Гарвардского университета, а также университетов Калифорнии и Мэриленда уточнили модель возникновения Луны, объяснив наклонение ее орбиты к земному экватору. Ученые предположили, что первичное столкновение могло быть в разы сильнее, чем считалось ранее — оно привело к тому, что земная ось оказалась почти направленной в сторону Солнца, а сутки сократились до двух часов. По словам авторов, работа позволяет лучше описать наблюдаемые аномалии изотопного и химического состава Луны. Исследование опубликовано в журнале Nature, кратко о нем сообщает пресс-релиз Университета Калифорнии в Дэвисе.

Основная гипотеза происхождения Луны — гигантское столкновение. Согласно этой гипотезе, прото-Земля столкнулась с небесным телом с размерами, сопоставимыми с Марсом (его называют Тейей). Это привело к выбросу значительного количества материала на околоземную орбиту и увеличило скорость вращения будущей Земли до одного оборота в пять часов. Со временем в обломочном диске произошла аккреция — слипание материала. Это привело к формированию Луны, которая за счет приливного воздействия замедлила Землю до нынешней скорости вращения. 

У этой гипотезы, тем не менее, есть ряд пробелов — так, она не объясняет наклонение орбиты Луны к плоскости земного экватора. Согласно многим сценариям обломочный диск должен был сформироваться в экваториальной плоскости, а современное наклонение составляет около 5 градусов. Кроме того, большая доля материала Луны должна соответствовать материалу небесного тела, врезавшегося в Землю. Это противоречит экспериментальным данным, показывающим схожий изотопный и химический состав Луны и Земли. В то же время ученые отмечают, что химический состав разных небесных тел Солнечной системы, как правило, сильно отличается. 

В новой работе авторы предположили, что сила удара в гипотезе гигантского столкновения была выше, чем считалось раньше. Физики допустили, что после удара ось вращения Земли оказалась направлена к Солнцу, а обломочный диск при этом находился в экваториальной плоскости. Скорость вращения будущей Земли при этом достигала одного оборота за два часа. По мнению ученых, это позволило сильнее перемешать материал небесного тела и прото-Земли, что объясняет сходство химических составов.

Приливные силы между возникшей Луной и Землей привели к тому, что спутник начал отдаляться от планеты. При этом его орбита и ее наклонение претерпели серьезные изменения, связанные с изменением положения плоскости Лапласа системы. Это специальная плоскость, в которой прецессирует орбита спутника планеты (точнее, ее нормаль). Известно, что для спутника, расположенного близко к планете, плоскость Лапласа совпадает с экваториальной плоскостью планеты — последняя оказывает наибольшее влияние на динамику небесного тела. Для удаленных спутников плоскость Лапласа приближается к плоскости орбиты планеты — наибольшее влияние тогда оказывает гравитация Солнца. 

В случае, когда ось вращения Земли направлена почти к Солнцу, угол между «ближней» и «дальней» плоскостями Лапласа близок к 90 градусам. Симуляция показывает, что если по мере удаления от планеты Луна совершает переход между сильно отличающимися плоскостями Лапласа (угол больше 60 градусов), происходит резкий переход, сильно возмущающий эксцентриситет и другие параметры орбиты. В результате наклонение лунной орбиты к плоскости экватора достигает 30 градусов. Вместе с тем происходит смещение оси вращения Земли — она отклоняется от направления к Солнцу и приближается к современному состоянию. В течение следующих десятков миллионов лет происходит уменьшение наклонения лунной орбиты к плоскости экватора к современному состоянию. 

Ученые подчеркивают, что новая модель эволюции лунной орбиты не требует дополнительных внешних воздействий от других небесных тел. Это делает ее единственной существующей моделью, способной объяснить большое наклонение лунной орбиты в ее прошлом, которое привело к современной орбите. Кроме того, ось вращения Земли, лежащая близко к плоскости эклиптики, объясняет быструю потерю углового момента планетой из-за действия солнечной гравитации. 

Ранее ученые уже пытались объяснить сходство химических составов Земли и Луны с помощью компьютерного моделирования высокого разрешения. Оказалось, вероятность случайного сходства составов достигает 20-40 процентов при учете возможных химических составов Луны. Существуют и другие теории происхождения нашего спутника — например, она могла возникнуть как независимое небесное тело при гравитационном сжатии газо-пылевого облака (модель Галимова-Кривцова). Однако такая теория хуже описывает угловой момент системы Земля-Луна.

Владимир Королёв