Солнечная система прятала это миллиарды лет: как изотопы раскрыли тайну рождения Луны

Луна возникла в результате гигантского удара между прото-Землёй и древней протопланетой Тейей — об этом сообщает издание Planet Today. Авторы нового международного исследования определили изотопный состав железа в лунных породах, земных образцах и метеоритах и пришли к выводу: существенная часть материала Тейи, как и большая доля вещества ранней Земли, имеет внутреннее происхождение. Учёные рассчитали, что Тейя формировалась ближе к Солнцу, чем Земля, и представили данные в журнале Science.

Исходные материалы и метод измерений

Группа исследователей из США, Германии, Франции и Китая решила уточнить химическую подпись столкновения, породившего Луну. В центре их внимания оказались изотопы — разновидности химического элемента, которые отличаются числом нейтронов в ядре. Учёные напомнили, что в ранней Солнечной системе изотопы распределялись неоднородно: на внешних её рубежах вещество обладало иным соотношением изотопов, чем в областях, прилегающих к Солнцу.

Для работы были отобраны 15 земных пород и шесть лунных образцов, доставленных миссиями "Аполлон". Команда измерила изотопное соотношение железа с точностью, не достигавшейся ранее. Это позволило сравнить характеристики вещества, присутствующего в мантии Земли, в породах Луны и в метеоритах, служащих своеобразными "хранилищами" древних изотопных резервуаров.

Сопоставление с прежними данными

Результаты подтвердили выводы, сделанные при анализе хрома, кальция, титана и циркония: по этим параметрам Земля и Луна неразличимы. Однако такое сходство не позволяет однозначно понять, как именно Тейя участвовала в образовании спутника. Модели столкновения допускают широкий спектр сценариев: от почти полного доминирования вещества Тейи в составе Луны до варианта, где удар привёл к глубокому смешению пород двух тел.

Чтобы приблизиться к реконструкции реальных условий, исследователи применили метод "обратной разработки" планет. Они сопоставили современные изотопные данные с тем, каким мог быть состав ранней Земли и Тейи, чтобы привести систему к наблюдаемому состоянию.

Эволюция вещества до и после столкновения

Ключ к интерпретации данных лежит в поведении элементов на ранних стадиях формирования планет. До удара Тейи с Землёй внутри прото-Земли шёл процесс разделения вещества. По мере образования плотного железного ядра часть элементов — например, железо и молибден — концентрировалась именно там. В мантии их стало меньше, а значит, железо, присутствующее сегодня в земной мантии, должно было появиться в ней после завершения формирования ядра, включая возможное перенесение его с веществом Тейи.

Элементы, не стремящиеся к погружению в ядро, такие как цирконий, оказались ценным архивом всей предударной истории. По соотношению изотопов можно проследить, где формировались исходные строительные блоки и как перемещались в ранней Солнечной системе.

Авторы рассчитали множество комбинаций состава Тейи и прото-Земли и исключили несколько вариантов как физически маловероятные. В итоге они получили модель, в которой химические подписи обоих тел логично объясняют современное состояние системы Земля-Луна.

Происхождение Тейи и её место в ранней системе

В рамках реконструкции учёные пришли к выводу, что и Земля, и Тейя должны были собираться из вещества, принадлежащего одной зоне — внутреннему региону Солнечной системы. Соавтор исследования Тимо Хопп сформулировал это так: "Наиболее убедительным сценарием является то, что большинство строительных блоков Земли и Тейи возникло во внутренней части Солнечной системы". По его словам, ранняя Земля могла быть смесью известных классов метеоритов, но к Тейе это не применимо.

Исследователи добавили, что некоторые классы метеоритов представляют материал внешних областей системы, поэтому служат эталоном для сравнения. Однако Тейя могла включать вещество, не представленное среди известных типов метеоритов. Авторы подчёркивают: "Мы полагаем, что происхождение этого материала находится ближе к Солнцу, чем к Земле". Именно эта особенность и объясняет отличия между возможными изотопными моделями Тейи и земными породами.

Что могло указывать на происхождение

Учёные выделили набор признаков, которые указывали на более "солнечное" происхождение Тейи:

• характер распределения изотопов железа;

• расхождения в моделях, основанных на цирконии и молибдене;

• несоответствие известных классов метеоритов предполагаемому составу Тейи;

• необходимость объяснить попадание в земную мантию железа, не участвовавшего в формировании ядра.

Эти особенности в совокупности позволили исследователям перейти от множества гипотетических сценариев к более узкому набору возможных.

Научное значение выводов

Результаты исследования помогают по-новому взглянуть на один из ключевых эпизодов ранней истории Земли. Во-первых, уточняется место формирования Тейи, что делает модель гигантского удара более детализированной. Во-вторых, одновременно проясняется эволюция земных недр: данные по распределению железа и молибдена позволяют проследить, что происходило с веществом до и после катастрофического столкновения. В-третьих, предложенная гипотеза даёт возможность объяснить, почему Земля и Луна столь близки по изотопному составу, несмотря на сложность ранних процессов.

Всё это расширяет представление о том, как формировались планеты земной группы и какие пути могли проходить отдельные тела, прежде чем стать частью более крупных систем. Исследование подчёркивает: история Солнечной системы хранится в изотопных пропорциях, а тонкие различия между ними помогают восстановить события, происходившие миллиарды лет назад.