Жодна інша планета не має такого великого супутника, як Земля. Звідки в нас з’явився цей дивний сусід?
Місяць – загадковий. Ми бачимо його з будь-якого куточку Землі, але завжди тільки один його бік. Він керує морськими припливами, сексом тварин і, можливо, сном людей.
Утім, жодна людина не була на Місяці до 1969 року. Однак і через пів століття після першої висадки на ньому побували лише 12 людей.
Завдяки їм, а також безлічі безпілотних зондів, тепер ми більше знаємо про поверхню найближчого до нас небесного тіла. Попри це, вчені й досі не мають остаточної відповіді на просте питання: як виник Місяць.
Чи відломився він якимось чином від Землі? Чи блукав Сонячною системою, доки Земля не притягнула його на свою орбіту? А може, сталося щось загалом апокаліптичне?
Наші предки не змогли дістатися до Місяця, але це не заважало їм міркувати про його походження.
Перший вагомий внесок зробив італійський астроном, фізик і філософ Галілео Галілей. Він створив потужний телескоп, за допомогою якого Місяць можна було побачити набагато детальніше, ніж раніше.
На початку XVII століття Галілей показав, що поверхня Місяця схожа на Землю. Вона так само вкрита горами і рівнинами. Це був перший натяк на те, що Земля і Місяць якимось чином утворилися разом.
Наступна гіпотеза виникла через цілих два століття. Син Чарльза Дарвіна Джордж припустив, що коли Земля була новою, вона оберталася дуже швидко. В результаті частина її відірвалася і відлетіла у космос, утворивши Місяць. На Землі залишився слід від цього уламка – Тихий океан.
Цю теорію особливо ніхто не підтримав, а після Другої світової війни з’явилася інша ідея.
Хімік Гарольд Урей припустив, що Місяць прилетів з іншої частини галактики. Його притягнуло земне тяжіння, коли він проходив повз.
У цій теорії є раціональне зерно. Для супутника планети Місяць дуже великий у порівнянні із Землею. Але якщо він утворився в іншому місці, це має сенс. По-друге, ми завжди бачимо лише один бік Місяця, а так буває саме тоді, коли об’єкт потрапляє в зону тяжіння іншого.
Деякі вчені, однак, мали сумніви. Вони не були впевнені, що Земля могла притягнути Місяць, не змінивши своєї орбіти. Вони також були припускали, що обидва тіла швидше за все зіткнулися б.
Цього могло не статися, якби атмосфера Землі у той час була достатньо великою. Вона би спрацювала як гігантська подушка безпеки, уповільнивши рух Місяця і відштовхнувши його назад у космос. Але це здається досить малоймовірним.
Вченим була потрібна теорія, яка відповідала б кільком важливим спостереженням. По-перше, Місяць – великий у порівнянні з Землею. По-друге, він прискорюється, поступово віддаляючись від Землі.
Одна з гіпотез стверджувала, що Земля і Місяць утворилися разом з гігантського диска матерії, що обертався навколо чорної діри.
Втім, її швидко спростували. Ця теорія не пояснювала швидкість, з якою Місяць обертається навколо Землі. Крім того, астрономи підрахували, що щільність Місяця в півтора раза менша за Землю, тобто навряд чи вони могли утворитися з одного акреційного диска.
Нарешті, немає й жодної ознаки існування чорної діри.
Теорія Урея залишалася провідною протягом 1960-х років, коли США почали готувати перший пілотований політ на Місяць. Якщо Урей мав рацію, Місяць повинен мати інший хімічний склад, ніж Земля.
Щоби перевірити це, астронавти “Аполлона” мали привезти на Землю зразки місячної породи. Коли вони це зробили, всі наявні теорії походження Місяця розлетілися вщент.
Першою зазнала поразки теорія відколу Джорджа Дарвіна. Зразки порід показали, що Місяць набагато старший за дно Тихого океану, з якого він мав би походити.
Теорія захоплення Урея також виявилася хибною.
На загальний подив, хімічний склад місячного ґрунту виявився майже ідентичним Землі. І отже, припущення Урея, що Місяць і Земля утворилися далеко одне від одного, було малоймовірним.
Зразки також показали, що Місяць утворився приблизно на 29 мільйонів років пізніше, ніж інші схожі об’єкти Сонячної системи.
Схоже, що початок його історії був вогняним. Темні ділянки його поверхні дозволяють припустити, що колись він був охоплений глибоким океаном рідкої магми.
Жодна з наявних на той момент теорій походження Місяця не збігалася з новими даними. Місія “Аполлона” спричинила “глибоке сум’яття” в науці, зазначив 2014 року дослідник Джей Мелош з Університету Пердью у місті Вест-Лафаєтт.
У 1975 році, через три роки після останнього польоту “Аполлона”, було висунуто нову ідею. Гіпотеза ударного формування Місяця, як її почали називати, була надзвичайно драматичною.
Коли Сонячна система формувалася 4,5 мільярда років тому, навколо неї літали різноманітні космічні уламки. Як припускають Вільям Гартман і Дональд Девіс з Інституту планетарних наук у Таксоні, в штаті Аризона, один із них потрапив у Землю.
Вочевидь, це був дуже великий уламок, можливо, розміром із Марс, маса якого дорівнювала одній десятій Землі.
Ця гіпотетична планета, яку назвали Тея, наче в більярді, завдала потужного удару в бік Землі.
В результаті удару частина зовнішнього шару Землі відділилася і утворила гігантську розплавлену кулю. Куля яскраво горіла, охопивши приблизно третину земного неба, доки не охолола і не віддалилася.
Зіткнення Землі і Теї змоделювали на комп’ютері, і воно виглядає дуже правдоподібним. По-перше, ця гіпотеза пояснює, чому залізне ядро Місяця приблизно вдвічі менше за земне. Ядро Теї злилося з Землею, тому Місяцю не залишилося багато.
Вона також пояснює, чому Місяць має так мало “летючих речовин”, елементів, які легко випаровуються в гази. Енергія, яка вивільнилася під час зіткнення, викинула їх у космос.
І зрештою, відносні розміри Землі та Теї можуть пояснити швидкість орбіти Місяця.
Ось чому Алекс Халлідей з Оксфордського університету називає цю гіпотезу “найкращою з найгірших”. Але й в ній теж залишаються слабкі місця.
Одне з них – те саме, яке зруйнувало теорію Урея: Земля і Місяць дуже схожі хімічно.
Більшість хімічних елементів мають тонкі варіації – ізотопи. Кожен атом складається з трьох типів частинок: протонів, електронів і нейтронів.
Кожен атом певного елемента повинен мати однакову кількість протонів та електронів, але кількість нейтронів може змінюватися, створюючи ізотопи.
Ізотопи виконують роль своєрідного хімічного відбитка. Якщо ви треба з’ясувати походження деякого матеріалу, вивчення суміші ізотопів, яку він містить, допоможе це зробити.
У випадку з місячною породою, частина ізотопів мала б походити з Землі, а частина – з Теї, і отже, ізотопний склад мав би містити щось середнє між двома. Але насправді він практично такий самий, як і у Землі.
Якщо Тея існувала, вона не залишила жодного сліду на Місяці.
Це – основна проблема гіпотези ударного формування Місяця.
Ізотопи вольфраму та кремнію насамперед важливі, тому що вони утворюються під час формування планетарного ядра.
“У кожної планети своя історія формування ядра, а тому ці ізотопи припускають, що Місяць походить саме з атомів Землі”, – пояснює Халлідей.
Мелош називає цей висновок “ізотопною кризою”. Проте гіпотезу ударного формування Місяця вона не спростовує повністю.
Найпростіше пояснення полягає в тому, що Тея випадковим чином мала такий самий ізотопний слід, як і Земля, можливо тому, що утворилася неподалік.
Однак моделювання ранньої Сонячної системи припустило, що ймовірність цього складає менш як 1%.
У Сонячній системі немає інших відомих тіл з таким же ізотопним складом, як Земля та Місяць. Вчені хотіли б отримати зразки порід з Венери та Меркурія, щоби побачити, чи мають вони схожі ізотопи, але коли це стане можливим, не відомо.
В іншому випадку, удар міг бути таким потужним, що Тея і Земля розплавилися, а їхні атоми змішалися між собою. Це могло б пояснити, чому Земля та Місяць так схожі, але чи було зіткнення таким катастрофічним, не відомо.
Також припускають, що тіло, яке врізалося в Землю, складалося переважно з льоду. Таких крижаних куль досить багато у зовнішній Сонячній системі, і вони могли обстрілювати Землю з високою швидкістю.
Але навіть тоді Місяць лише на 73% складався б із земних атомів, чого недостатньо для пояснення ізотопів.
Проблема в тому, що Тея мала завдати Землі ковзного удару, інакше Місяць опинився б на іншій орбіті, але такий боковий удар суперечить тому, що показують ізотопи.
Можливо, Тея і не завдала бокового удару. 2012 року Матія Чук і Сара Стюарт із Гарвардського університету в Кембриджі, у штаті Массачусетс, дійшли висновку, як це могло статися.
Вони припустили, що Земля вже оберталася дуже швидко, коли Тея вдарилася об неї. Якщо Земля крутилася стрімко, імпульсу від удару було достатньо, щоб відправити Місяць на правильну орбіту.
Необхідності у ковзному ударі не було: Тея могла зіткнутися з Землею лоб у лоб.
Це означає, що Тея могла бути набагато меншою, ніж вважали раніше, приблизно 2% від маси Землі. Це також означає, що Місяць утворився переважно з земної матерії.
Ця гіпотеза “вибила ґрунт з-під ніг усіх інших теорій”, – каже Мелош.
У квітні 2015 року з’явилося ще більше доказів на підтвердження гіпотези ударного формування.
Алессандра Мастробуоно-Баттісті з Ізраїльського технологічного інституту в Хайфі та її колеги провели більш детальну симуляцію об’єктів, які кружляли навколо у ранній Сонячній системі.
Вони виявили, що космічні тіла, які врізалися в планети, були набагато більш схожими на самі планети, ніж вважали раніше. Імовірність того, що Тея і Земля були схожими підвищилися з 1% до 20%.
І хоча шанси все ще невеликі, пояснити дивну схожість Землі та Місяця стає трохи легше.
Утім, роботу не завершено. “Нам все ще бракує деяких ланок”, – каже Стюарт.
Тепер більшість дослідників вважають, що остаточна версія буде все ж таки ґрунтуватися на гіпотезі ударного формування, але для переконливого пояснення схожості ізотопів потрібні деякі дані.
Найскладніше винайти теорію, в якій кожен аспект Землі та Місяця виглядав би правдоподібно. Теорії, які вимагають, щоби Тея мала певну масу, або удар був лише під певним кутом, викликають сумніви.
Утім, саме в цьому і є причина такого інтересу до походження Місяця – він незвичний.
Можливо, ми й не повинні дивуватися, що його походження почасти було чистою випадковістю.
Прочитати оригінал цієї статті англійською мовою ви можете на сайті BBC Earth .