Широко прието обяснение за това как се е образувала луната е хипотезата за гигантски удар.
Лунните изследвания започнаха сериозно, когато астронавтите на Аполо донесоха лунни камъни обратно на Земята през 1969 г. Днес научаваме повече за Луната от всякога, тъй като техниките за анализ на химическия състав на стари и нови лунни проби продължават да напредват.
Като една от най-познатите гледки от Земята в небето, Луната е вдъхновила милиарди хора да гледат нагоре с удивление. В началото на историята на човечеството се създават митове за това сребристо кълбо, а по-късно започва космическа надпревара, за да го изследваме от разстояние или на място. Винаги е имало забележителна мистерия: как се е образувала Луната и е намерила дом в орбита около нашата синя планета?
Астронавтите на Аполо започнаха научни изследвания, за да отговорят на този въпрос, когато се завърнаха от Луната през 1969 г. с повече от 24 кг лунен камък и прах. Чрез измерване на възрастта на скалите учените научиха, че Луната се е формирала преди около 4,5 милиарда години, сред хаотичните ранни години от формирането на Слънчевата система. Днешните инструменти и техники могат да анализират химията на лунния материал по начини, които са били невъзможни само преди 50 години, разкривайки повече подробности от всякога за историята на нашата Луна.
Общоприетият модел на създаването на Луната предполага, че масивен обект, наречен Тея, се е разбил директно в Земята преди 4,51 милиарда години, когато нашата планета все още е била заета да расте до сегашния си размер и да формира ядрото си. Полученият удар изпарява част от мантията на младата Земя, изхвърляйки камъни и газове навън. След известно време изхвърлената материя (комбинация от материал от Земята и материал на Тея) започва да обикаля около планетата. Бучките газ, прах и камък се сблъскват и залепват.
Само след няколко хиляди години – последните модели разкриват този изненадващо кратък период – те се сливат в сферична форма, която продължи да обикаля около Земята. Ранната лунна скала е толкова гореща, че е изцяло разтопен свят и са били необходими 150 до 200 милиона години, за да се охлади и кристализира в познатата си, сива, скалиста външност. Тея е също така катализаторът за формирането на Земята, тъй като помага за изтласкването на по-тежки елементи като никел и желязо към ядрото.
През последните 50 години Хипотезата за гигантския удар се превърна в предпочитаното обяснение, което според много учени е най-доброто приближение на това, което вероятно се е случило предвид геохимичните данни, които успяхме да съберем,” казва геохимикът Ерик Кано от Университета на Ню Мексико в Албакърки, пред Popular Mechanics.
Докато Хипотезата за гигантския удар е общоприета, все още имаме много мистерии относно историята на Луната.
Най-голямото предизвикателство пред планетарните учени, които се опитват да реконструират историята на Луната е, че техните доказателства идват от „много обработени“ скали, казва Антъни Гаргано, друг геохимик от Университета на Ню Мексико. Луната е претърпяла милиарди години промени от създаването си. Нашият спътник е претърпял изпарение, магма и кристализация, което е трансформирало скалите.
За щастие технологиите за измерване, използвани за изследване на формирането на планетата, бързо се подобряват. Учените са в състояние да измерват химичните състави по начини, по които не са били в състояние в дните на Аполо. Например, сега можем да изследваме парче лунна скала под електронен микроскоп или дори да изследваме зрънце лунен прах с помощта на томография с атомна сонда (APT). Тази техника разграничава разликите на атомно ниво в материалите.
Измерването на стабилни изотопи също е особено информативно. Кислородът, например, се предлага в леки и тежки разновидности, като „тежката“ версия има два неутрона повече в своето атомно ядро, отколкото „леката“ версия. Количествата на всеки изотоп, присъстващ в лунните проби, разкриват повече за процесите, оформили околната среда на Луната.
Ранните проучвания изчисляват средната стойност на кислородните изотопи в лунната скала, открита в няколко различни региона на Луната, казва Кано. Тъй като тези проучвания са взели средна стойност от измерванията, учените днес знаят, че резултатите са били подвеждащи; измерванията показват, че химичният състав на луната е практически идентичен със земния, но това доказателство противоречи на идеята, че луната съдържа материал от вторично тяло, сблъскало се със Земята. Едно обяснение за оправдаване на идентичния химичен състав е, че ударите на метеорити доставят кислород.
Благодарение на различен подход, който изследва същите проби, проучване от март 2020 г. изясни объркването. Доказателствата, които Кано и други изследователи представят в Nature Geoscience, са получени, като е изследвана всяка проба поотделно с инструменти за измерване с висока точност, което позволява да открият различни характеристики във всяка една. Учените стигат до заключението, че Луната изглежда има различен изотопен състав на кислорода от нашата планета.
Тези данни, открити в проби от дълбоко в лунната мантия, на 30 мили под повърхността, подкрепят историята за произхода на гигантски удар. Освен това, това разкрива повече за мистериозната Тея. „Нашите открития предполагат, че отделните кислородни изотопни състави на Тея и Земята не са били напълно хомогенизирани от въздействието, образуващо Луната, като по този начин предоставят количествени доказателства, че Тея може да се е формирала по-далеч от слънцето, отколкото Земята“, отбелязват изследователите в своята статия.
Друго проучване, ръководено от НАСА, също разкрива повече за геохимията на гигантския удар. Планетарните учени знаят, че елементът хлор се изпарява при ниски температури, така че те използват хлор, за да проследят формирането на планетата. Земята има изобилие от лек хлор. За разлика от тях изследваните от учените лунни камъни съдържат повече от тежкия хлорен изотоп. Доброто обяснение е, че докато Земята и Луната се реформират след удара, Земята с по-голямо тяло е изтеглила по-голямата част от лекия хлор. „Загубата на хлор от Луната вероятно се е случила по време на събитие с висока енергия и топлина, което сочи към теорията за гигантския удар“, казва Гаргано, един от водещите изследователи, в прессъобщение на НАСА. Работата на екипа беше публикувана през септември 2020 г. в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Агенцията откри изненада на Луната под формата на емисии на въглеродни йони от повърхността на Луната. Те използваха данни, събрани по време на мисията KAGUYA, втората мисия на Япония за изследване на Луната от орбита. Стартирана през 2007 г., тя създаде най-подробния топографски модел, който имаме, на нашия скалист съсед с помощта на 15 различни инструмента. Изследванията на данните, събрани в продължение на почти две години за геологията на Луната, предизвикват предишни изследвания на лунни проби.
Преди учените вярваха, че на Луната изобщо няма много въглерод, въпреки че този летлив елемент обикновено влияе върху формирането и еволюцията на планетарните тела. И все пак очакваните въглеродни емисии, открити от KAGUYA на повърхността на Луната, са много по-големи като количество от очакваното, съобщиха изследователи в Science Advances през май 2020 г. Инструментите показаха, че въглеродните йони са разпределени по почти цялата лунна повърхност. Следователно, той трябва да е местен за Луната, заключиха изследователите.
Това доказателство означава, че въглеродът трябва да е бил вграден в луната по време на нейното формиране или скоро след това. Проучването също така отбелязва, че базалтовите равнини на Луната отделят много повече емисии на въглеродни йони, отколкото планините. Това е доказателство за съществуването на въглерод на Луната в продължение на милиарди години, вместо да навлиза по-късно от външни източници като слънчев вятър или метеорити.
Инструментите засичат въглеродни емисии със скорост от около 5,0 × 10⁴ на квадратен сантиметър в секунда, което е много по-голямо от слънчевия вятър и микрометеороидите, според проучването.
Същата година изследователи в Германия разкриха друга убедителна част от историята, доказателство, че Луната се е оформила само няколко хиляди години след удара. Проучването, публикувано през юли 2020 г. в списанието Science Advances, установи, че изхвърлената материя от Тея и Земята се кондензира в магмен океан с дълбочина близо 1000 км. Отнело е 150 до 200 милиона години, за да кристализира напълно тази течна скала, според компютърните симулационни модели, използвани от изследователите. Предишни оценки сочат, че на Луната са й трябвали само 35 милиона години, за да се охлади до твърда кора.
Руските мисии на Луната също са събрали лунен материал. Скорошната китайска сонда Chang’e-5 събра проби от тъмната страна на Луната. Районът, от който идват скалите на Аполо, е само малък регион на Луната, така че е като да се опитвате да сглобите гигантски пъзел, когато имате само няколко парчета, казва Кано.
Обединяването на данни от всички тези експерименти и мисии ще бъде ключът към рисуването на по-ясна картина на преживяванията на Луната от нейното раждане преди 4,5 милиарда години. Засега нямаме достъп до данни от някои от тези страни, като Китай.
„Дори само с настоящите проби и данни, с които разполагаме, учените все още измислят нови идеи относно детайлите на лунното формиране“, казва Кано.
Все пак съществува огромно количество химически доказателства в подкрепа на хипотезата за гигантския удар, казва Гаргано. На този етап работата е свързана изцяло с попълването на детайлите.
Кано се съгласява. „Според мен настоящите данни, с които разполагаме, са достатъчни, за да направим разумна хипотеза за произхода на Луната. Въпреки това, за да определим специфичните детайли на формирането й, вероятно ще трябва да се върнем на лунната повърхност и да съберем повече проби и да направим по-задълбочено геоложко проучване“.
Няма да се налага да се чака дълго за друга партида от лунни проби, които да информират за това, как е възникнала Луната. НАСА ще стартира завръщане на човек на Луната до 2024 г. с мисията Artemis.
