Как появилась Луна: самые известные теории происхождения

У ученых до сих пор нет единого мнения о том, как появилась Луна. Установлено, что спутник Земли сформировался через 100 млн лет после возникновения Солнечной системы [1]. Но как именно это произошло, до конца не ясно. В разное время астрофизики выдвигали различные теории. До 1970-х самыми распространенными были три из них — они даже получили название «Большая тройка». Но после американских лунных экспедиций 1960–1970-х годов общепризнанной стала та, которая в тройку не вошла: сегодня большинство ученых полагает, что Луна была образована в результате столкновения нашей планеты с другим небесным телом. Ниже объясняем ее, рассказываем о гипотезах «Большой тройки» и делимся еще несколькими смелыми предположениями о происхождении Луны.

1. Столкновение Земли с другой планетой

Согласно теории гигантского столкновения или по-другому импактной теории (от англ. impact — удар) Луна образовалась из-за того, что некий небесный объект врезался в молодую Землю. Впервые эта версия была выдвинута американскими учеными Хартманном и Дэвисом (William K. Hartmann, Dr. Donald R. Davis) в 1975 году [2]. Чуть позже гипотетический объект, который столкнулся с Землей, назвали Тейей (Theia) — в честь матери лунной богини Селены из греческой мифологии [3].

Примерно 4,5 млрд лет назад Солнечная система была неспокойным местом — в ней появлялись множество небесных тел, которые так и не стали полноценными планетами [4]. Тейя была одной из таких протопланет. Она была размером примерно с Марс и состояла из облаков пыли и газа [5]. Столкнувшись с Землей, она выбросила в космос часть вещества земной мантии. Гравитация завершила процесс: выброшенные обломки стали вращаться на околоземной орбите и постепенно собрались в Луну. А у Земли в результате удара, помимо прочего, изменился наклон оси вращения.

В пользу этой теории говорит плотность лунной породы. Луна состоит преимущественно из легких элементов, и ее плотность в среднем меньше земной [6]. Это не противоречит теории импакта: Луна частично образовалась из вещества земной мантии, а не из более тяжелого и плотного земного ядра. Еще один аргумент «за» — выброшенное столкновением вещество вместе с обломками Тейи должно было остаться вблизи плоскости обращения Земли вокруг Солнца — эклиптики. Именно в этой области Луна сейчас и вращается.

Впрочем, в теории столкновения есть и нестыковки. Согласно большинству современных астрономических моделей, более 60% Луны должно состоять из материала с Тейи. Однако образцы пород, взятые во время полетов «Аполлона», свидетельствуют об обратном — с точки зрения состава Земля и Луна почти не различаются [7]. Получается, Луна не позаимствовала от Тейи практически ничего, а это противоречит импактному сценарию.

Теория множественных столкновений

В 2017 году израильские исследователи из института Вейцмана предложили альтернативную теорию столкновения. По ней ударов по Земле было больше, чем один. Несколько столкновений породили около 20 малых лун, которые «слиплись» в нынешнюю Луну [8]. Таким образом эта теория объясняет совпадение состава лунных пород с земными — основной контраргумент против гигантского столкновения.

Похожую теорию предложил в 2007 году российский физик Николай Горькавый [9]. Он назвал ее «мультиимпактной». По мнению ученого, земной спутник образован не одним гигантским столкновением, а множеством более мелких.

Крупный астероид, падая на Землю (на рисунке — черная планета в центре), выбивает из нее осколки. Их отбрасывает обратно в космос, на околоземную орбиту и далее возможны два варианта: часть обломков падает обратно на Землю, а вот другая часть попадает в облако плотных газов, вращающихся вокруг молодой Земли (на рисунке — полосы серого цвета). И эта вторая часть обломков благодаря облаку плотного газа постепенно сформировала Луну (на рисунке — желто-серое небесное тело справа). (Фото: scientific-opinion.com)

Астероидов, которые постепенно образовали Луну таким образом, могло быть до 1 млн штук [10]. Сейчас в Солнечной системе нет такого количества летающих объектов, но большое количество кратеров на обратной стороне Луны доказывает, что еще 3-4 млрд лет назад они были.

Мультиимпактная теория не признана западной планетологией в качестве ведущей теории, хотя она лучше объясняет некоторые моменты, которые остаются непонятными в общепринятой теории гигантского столкновения.

2. Гипотеза центробежного разделения

До того как американские космические корабли «Аполлоны» привезли с Луны образцы лунного грунта, в научном мире были три главенствующие теории образования Луны. Гипотеза центробежного разделения — одна из этой «Большой тройки» (англ. The Big Three).

Впервые о ней заговорил английский астроном и математик Джордж Говард Дарвин (George Darwin), сын Чарльза Дарвина, еще в 1878 году. По его мнению, Луна образовалась из-за того, что от Земли, вращающейся в то время с очень большой скоростью, под действием центробежных сил оторвался огромный кусок.

Согласно теории центробежного разделения, Луна — это оторвавшаяся от Земли часть. А то место, откуда Луна отделилась, сейчас занято Тихим океаном. (Фото: creation.com)

Хотя эта теория была популярна в начале XX века, последующие научные данные ее не подтвердили [11]. Например, расчеты показали, что скорость Земли в то время не была настолько высокой, чтобы от нее мог «отвалиться» кусок такого размера. Кроме того, если бы теория была верна, Луна, скорее всего, вращалась бы вокруг земного экватора, но это не так.

3. Одновременное образование Луны и Земли

Еще одна теория «Большой тройки» — это гипотеза об одновременном появлении Луны и Земли. Возможно, это одна из старейших научных теорий образования земного спутника: в 1785 году ее выдвинул немецкий философ Иммануил Кант. Он предположил, что Луна и Земля образовались из газообразного материала (пылевой туманности), они — планеты-«сестры», сформировавшиеся примерно в одно время [12].

В разное время подобную идею поддерживали другие астрономы и физики, в том числе советский математик и астроном Отто Юльевич Шмидт и его последователи. Согласно советской гипотезе коаккреции (от лат. аccretio — присоединение) вокруг молодой Земли постепенно образовывался диск, похожий на существующие сейчас кольца Сатурна [13]. Он возник из-за аккреции, то есть слипания твердых частиц метеоритов, облаков пыли и газа. Из такого диска и сформировался земной спутник.

Одна из слабых сторон этой теории — неспособность объяснить разную плотность Луны и Земли [14]. Планетолог Уильям Хартманн, выдвинувший теорию гигантского столкновения, выразил сомнения в том, что два небесных тела могли сформироваться из одного вещества, но при этом у одного из них — Земли, есть железное ядро, а у другого — Луны, оно практически отсутствует [15]. Так что, когда на Землю доставили образцы лунного грунта и стал известен его состав, гипотеза коаккреции была отвергнута [16].

4. Теория захвата

Заключительная теория «Большой тройки» — гипотеза о захвате уже сформированной Луны Землей. Она впервые была озвучена американским астрономом Томасом Си (Thomas Jefferson Jackson See) в 1909 году [17]. Согласно этой гипотезе, мимо Земли пролетало небесное тело, которое Земля притянула на свою орбиту гравитационными силами. Луна в этой версии — не обломок Земли или «сестра», а «гость», случайно оказавшийся вблизи Земли.

Подтверждением этой теории может являтся то, что планета Марс, вероятно, именно таким образом обзавелась своими спутниками — Деймосом и Фобосом. Они могут быть «пришельцами»-астероидами, так же как и Луна [18]. Однако и в этой теории есть слабые места: небесные тела-«пришельцы» часто имеют причудливую форму, а не сферическую, как Луна. А их траектории далеки от круговой орбиты, по которой сейчас движется Луна.

Если бы Луна, случайно пролетая рядом с Землей, оказалась захвачена ее гравитацией, то можно было бы ожидать, что она будет двигаться по вытянутой вокруг Земли орбите — как, например, комета Галлея движется вокруг Солнца [19]. Однако орбита Луны, по сути, круговая. На рисунке — вытянутая орбита кометы в сравнении с круговыми орбитами планет. (Фото: Youtube)

5. Возникновение Луны из маленьких спутников

Гипотеза, известная на английском языке как «теория многих лун» (Many-moons Theory) была описана американским геофизиком Гордоном Макдональдом (Gordon J. F. MacDonald) в 1966 году. Она сходна с теорией захвата — с той лишь разницей, что Земле было легче «захватить» несколько более мелких небесных тел, чем одно большое. По предположению Макдональда, несколько притянувшихся к Земле небесных тел в итоге могли сформировать одну большую Луну [20].

Эта теория не объясняет, почему состав Земли и Луны так сильно схож. Кроме того, непонятно, почему несколько лун могли образовать одну большую именно около Земли, а с Марсом и его двумя небольшими спутниками ничего подобного не произошло.

6. Гипотеза испарения

Эстонский астроном Эрнст Юлиус Эпик (Ernst Julius Öpik) выдвинул еще одну любопытную теорию происхождения Луны. В 1995 году он предположил, что ранняя Земля то время была окружена кольцами из захваченных каменных обломков [21]. Из-за постоянных ударов этими осколками она сильно нагревалась — примерно до 2000 °C, и происходил процесс испарения вещества с поверхности Земли. Легкие элементы испаряемого вещества унес солнечный ветер, а более тяжелые в итоге соединились с каменными обломками в околоземном пространстве и образовали протолуну.

Это произошло на поздней стадии формирования Земли, когда железное ядро Земли уже было сформировано, и испарение происходило с мантийного слоя, в котором железа была значительно меньше. Таким образом эта теория объясняет, почему у Луны очень маленькое железо-никелевое ядро по сравнению с Землей.

Футурология Миссия «Луна»: когда и как начнется колонизация спутника Земли

7. Искусственное возникновение Луны

Эту нетрадиционную идею, далекую от науки, якобы выдвинули в 1960-х годах ученые Академии наук СССР Михаил Васин и Александр Щербаков. Они утверждали, что Луна — это искусственный объект, созданный не по воле природы.

Сегодня известно, что таких ученых в Академии наук в то время не существовало [22]. В 1968 году в «Комсомольской правде» была опубликована статья с названием «Луна — искусственный спутник?», но авторами ее были не академики, а журналисты. Впоследствии эта статья была переведена на английский язык и получила распространение за рубежом.

Подобные экзотические теории существовали на Западе еще со времен полета «Аполлона-12» на Луну в 1969 году [23]. С идеями «Луна — космический корабль пришельцев» связаны и убеждения в том, что внутри Луна якобы полая. Сейчас обе концепции — искусственной Луны и полой Луны, признаны антинаучными.

Какая теория происхождения Луны является общепринятой

Именно импактная теория находит наибольшую поддержку у исследователей, объясняет кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Государственного астрономического института имени П.К. Штернберга МГУ Антон Бирюков. В пользу этой теории говорит минимум два фактора:

• Уже давно стало понятно, что система Земля-Луна относится к сравнительно редкому классу тесных пар небесных тел. Иногда их даже называют «двойными планетами». И правда, Луна весьма близко расположена к Земле — по сравнению с радиусом самой Земли. При этом она имеет сравнимую с Землей массу и размеры. Создать такую устойчивую на миллиарды лет систему только гравитационным захватом непросто.

• Другой важный момент: современные исследования показали, что изотопный состав Луны очень похож на земной — в гораздо большей степени, чем состав тех же комет или, например, метеоритов с Марса.

Поэтому ученые сегодня сходятся в том, что Луна была образована в результате столкновения нашей, тогда еще молодой, планеты с другим телом, размером примерно с Марс. В результате этого столкновения часть вещества Земли была выброшена на орбиту, где и стала нашим спутником.