Переплавка Луны омолодила ее на пару сотен миллионов лет

Планетологи заново оценили возраст Луны, теперь он составляет 4,43–4,53 миллиарда лет, что больше, чем предполагалось ранее. Ученые пришли к выводу, что предыдущие оценки соответствовали моменту переплавки лунной мантии и вулканизму из-за приливного нагрева недр Луны со стороны Земли. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

Одна из основных теорий происхождения Луны предполагает, что спутник Земли был результатом столкновения прото-Земли и протопланеты Тейи, в ходе которого была выброшена часть земного вещества и вещества протопланеты. Эту гипотезу подтверждает как моделирование, так и результаты исследований лунного вещества, хотя у нее есть и недостатки.

Время формирования Луны можно оценить путем датирования различных пород, которые кристаллизовались в ходе охлаждения лунного магматического океана. В ходе этого процесса менее плотные породы, богатые плагиоклазом, всплывали, формируя кору, а более плотные породы, такие как оливин, оседали, формируя мантию. Породы типа KREEP формировались на позднем этапе кристаллизации магматического океана, образуя отдельный слой в мантии, и считаются отметкой окончания затвердевания.

На основании датировки различных пород до сих пор считалось, что возраст Луны составляет около 4,35 миллиарда лет, а магматический океан достаточно быстро остывал. Однако модели тепловой эволюции предсказывают более долгое застывание океана, что дает возраст 4,425 миллиарда лет. Кроме того, возникает проблема с более древним возрастом кристаллов циркона, найденных в лунных породах, а также с изотопным составом гафния из KREEP-пород, которые могли сформироваться 4,5 миллиарда лет назад. На более древний возраст Луны указывает и моделирование процессов формирования лунного ядра и потерь испаренных пород с Луны, а также динамические модели формирования планет.

Группа планетологов во главе с Фрэнсисом Ниммо (Francis Nimmo) из Калифорнийского университета в Санта-Крузе предложила новую датировку возраста Луны, основываясь на уже имеющихся данных о возрастах различных пород. Ученые предположили, что отметка в 4,35 миллиарда лет связана не с образованием Луны и кристаллизацией первичного магматического океана, а с более поздним событием.

Исследователи считают, что таким событием, приведшим к активным извержениям, был эпизод нагрева недр Луны, вызванный приливными силами со стороны Земли из-за орбитальных резонансов. Эти резонансы могли возникать, когда период прецессии орбиты Луны равен одному году, когда воздействие Солнца и Земли на прецессию орбиты Луны одинаково и когда периоды вращения Луны и прецессии орбиты равны.

Наиболее интересной идеей выглядит переход Луной плоскости Лапласа, когда длина ее большой полуоси орбиты составляла 16–22 радиусов Земли, в этом случае возникающий тепловой поток будет большим (около 3–30 ватт на квадратный метр) и сравнимым с текущим энерговыделением внутри спутника Юпитера Ио из-за приливных сил со стороны газового гиганта. Столь большие объемы тепловыделения связаны с большим эксцентриситетом орбиты, также будет возникать быстрое уменьшение длины большой полуоси лунной орбиты. При этом тепловыделение будет происходить в течение нескольких миллионов или десятков миллионов лет.

Благодаря внутреннему разогреву вещество лунной мантии будет подвергнуто неоднократной частичной переплавке, а образованный расплав может извергнуться на поверхность Луны или оказаться в составе коры, в зависимости от разницы плотностей расплава и коры. Это приведет к изменению возрастов глубоко залегающих кристаллов циркона, при этом возраста кристаллов циркона на поверхности Луны могут оказаться неизменными. Разница возрастов базальтов лунных морей, ферроанортозитов, доминирующих в коре, и KREEP-пород объяснима разными глубинами их начального залегания (десятки, сотни или тысячи километров), откуда они транспортировались за счет адвекции магмы и ее извержений. Молодой возраст лунной магнезиальной свиты объясняется ее переплавкой после первичной кристаллизации океана и внедрением расплава в кору.

Таким образом, Луна могла сформироваться в диапазоне 4,43–4,53 миллиарда лет назад. Такой возраст лучше согласуется с динамическими моделями образования планет земной группы, а также позволяет объяснить меньшее количество ударных бассейнов, чем ожидалось, и дефицит металлов на Луне по сравнению с Землей, так как они могли попадать после аккреции планетезималей ближе к лунному ядру.

Столкновения тел планетарного масштаба происходили не только в Солнечной системе — их замечают и в экзопланетных системах.