Создательница Луны: есть ли в мантии Земли обломки разрушенной планеты

Дитя катастрофы

В мантии Земли покоятся обломки планеты, столкновение с которой породило Луну. Такой вывод делается в научной статье, опубликованной в журнале Nature учеными из США и Китая.  

Происхождение Луны — давняя научная загадка. Считается, что большинство спутников образовалось одновременно со своей планетой из газопылевого облака. Но этот сценарий не позволяет крошечной Земле обзавестись пятым по размеру спутником в Солнечной системе.

В 1970-е была предложена теория гигантского удара. Согласно этой теории, 4,5 млрд лет назад, когда формирование Земли едва завершилось, в нее врезалась планета размером с Марс — ученые назвали ее Тейя.

Последствия удара были ужасающими. Земные океаны превратились в пар и улетучились в космос вместе с атмосферой. Вся поверхность нашей планеты стала морем огнедышащей магмы. И все же Земле повезло больше, чем Тейе: та полностью превратилась в облако газов, капель жидкого расплава и раскаленных обломков. К этому облаку примешивалась некоторая доля земного вещества, выброшенного в космос силой удара.

Большая часть этого облака со временем выпала на Землю. Самые легкие вещества растворились в космической пустоте. А из того, что осталось на орбите, со временем образовалась Луна.

В эту теорию аккуратно укладывается множество фактов. Например, Луна крайне бедна водой и другими легко испаряющимися веществами, что неудивительно для тела, собравшегося из раскаленных обломков. У Луны крошечное железное ядро, а у Земли — огромное, потому что тейянское железо выпало из орбитального облака на Землю. Наклон земной оси тоже может быть «травмой» после гигантского удара.

Правда, у «ударного» сценария есть свои проблемы. Например, он не совсем точно предсказывает состав лунных пород. Несколько лет назад была предложена теория множественных ударов, объясняющая образование Луны не одним громадным столкновением, а множеством мелких. Но все же пока теория гигантского удара остается ведущей.

Обычно предполагается, что выпавшее на Землю вещество Тейи сильно перемешалось с земным. Однако авторы нового исследования полагают, что в глубине земного шара дремлют два фрагмента древней планеты, каждый размером с континент.

Осколки в теле

Еще в 1980-х ученые обнаружили в мантии Земли две области, где сейсмические волны замедляются. Замедление означает, что обнаруженные структуры плотнее окружающего их вещества. Ученые назвали их крупными областями низкой скорости (large low-velocity provinces, или LLVP) сейсмических волн. Первая располагается под Африканской тектонической плитой, другая — под Тихоокеанской. Обе LLVP залегают очень глубоко — в нижней мантии, вблизи ядра Земли.

Среди множества гипотез о происхождении LLVP высказывалась и мысль, что это остатки Тейи. Но в поддержку этой версии не хватало аргументов. Авторы новой работы подкрепили ее детальными расчетами.

Воспользовавшись новейшими математическими методами, ученые смоделировали столкновение с Тейей и его последствия для Земли. Расчеты показали, что верхняя часть мантии Земли поглотила основную энергию удара и на время расплавилась (сейчас вся мантия планеты твердая, хотя и в какой-то мере пластичная). Под этим расплавленным слоем залегал нижний слой, оставшийся твердым. В нижний слой земной мантии проникали «капли» расплавленного вещества, происходящего из мантии разрушенной Тейи. Там эти «капли» — размером десятки километров каждая — затвердевали под огромным давлением вышележащих слоев. Поскольку тейянские вкрапления были на 2–3% плотнее окружающего вещества, они погружались в нижнюю мантию и накапливались там. LLVP — два крупнейших скопления таких фрагментов. Авторы подчеркивают, что модель верно воспроизвела их объем и сейсмические свойства.

Ответ из глубины

И все же важно понимать: какой бы убедительной ни была модель, это лишь модель. Моделирование всегда оставляет ученому немалую свободу: какие допущения принять, какие эффекты учесть и т.д. Обычно исследователь заранее знает, какой результат нужно получить, в данном случае — это наблюдаемые свойства LLVP. Поэтому велик соблазн «подкрутить» модель в нужную сторону. Конечно, у такой «подкрутки» есть предел. Модель не должна грубо противоречить фактам, физическим законам или здравому смыслу — например, учитывать слабый эффект, но пренебрегать куда более сильным. Итак, тейянский сценарий происхождения LLVP удалось превратить в добротную математическую модель, но о чем это говорит? О том, что такой сценарий не противоречит нашим знаниям, он действительно мог реализоваться. Но не о том, что все так и произошло на самом деле.

Об успехе научной теории — не важно, облечена ли она в форму компьютерной модели — судят по ее проверяемым предсказаниям. Другими словами, модель должна предсказать некие факты, которые не были известны ее разработчикам. Чем больше таких фактов, тем больше оснований доверять теории. Скажем, Ньютон не мог измерить время падения каждого яблока в каждом саду, он не знал о существовании планет Урана и Нептуна и тем более не мог наблюдать за искусственными спутниками Земли. Но все эти объекты движутся так, как предсказывает закон всемирного тяготения, и именно поэтому он — успешная теория.

У гипотезы о тейянском происхождении LLVP есть предсказания, которые еще предстоит проверить. Напомним: теория гигантского удара утверждает, Луна образовалась в основном из вещества Тейи, а не Земли. Если LLVP — обломки Тейи, они должны быть похожи на лунные базальты по содержанию различных химических элементов и их изотопов. 

Разумеется, никто не в силах пробурить скважину в нижнюю мантию и достать оттуда образцы. Однако в разных точках Земли из глубин мантии поднимаются восходящие потоки — плюмы. С такими плюмами связано происхождение некоторых вулканов, например, гавайских. Правда, извергаемая ими лава состоит в основном из пород земной коры, расплавленных теплом плюма. Но к ней примешивается и глубинное вещество самого плюма. Так что плюмы, связанные с LLVP, могут доставлять на поверхность некоторое количество древнего тейянского вещества. Тщательное сравнение земных и лунных изверженных лав может подтвердить теорию теяйнского происхождения LLVP, а с ней и всю теорию гигантского удара.