Новая гипотеза происхождения Луны гласит, что ночное светило возникло в результате термоядерного взрыва на границе гидридного ядра Земли.
Идея эта принадлежит первопроходцу во многих областях знаний – профессору Э. И. Терезу.
Гипотезы образования Луны
Пожалуй, каждый однажды задавался вопросом о происхождении спутника нашей планеты, но только наиболее пытливые умы понимают, что до сих пор нет гипотезы, объясняющей все физические условия его появления. Попробуем подойти к проблеме методом Микеланджело: рассмотрим основные гипотезы как глыбы и будем фактами отсекать от них куски, пытаясь добраться до Истины.
Гипотеза столкновения
В настоящее время основной является гипотеза нецентрального мегаимпакта нашей планеты с Тейей (планетой большей, чем Марс), орбита которой почти совпадала с орбитой Земли. В результате столкновения в космос попала часть вещества земной мантии. Гравитация завершила процесс: выброшенные обломки стали вращаться на околоземной орбите и постепенно образовали Луну. А у Земли в результате удара изменился наклон оси вращения.
Новейшая симуляция NASA и Даремского университета демонстрирует один из вариантов «импактного» происхождения Луны. По этой версии, после столкновения небесного тела с Землёй Луна могла образоваться за считанные часы, а не за месяцы или годы, как предполагалось ранее.
Отметим, что гипотеза мегаимпакта появилась в 1976 году, когда анализ собранных во время полётов «Аполлона» и советских АМС образцов лунного грунта показал идентичность радиоизотопных соотношений пород Земли и Луны. Гипотеза «мегаимпакта» была призвана объяснить, каким образом наша планета и её спутник в геологическом прошлом составляли единое целое.
Согласно большинству современных астрономических моделей, более 60 процентов Луны должно состоять из материала планеты, столкнувшейся с Землёй. Но получается, что Луна не позаимствовала от Тейи практически ничего, кроме энергии движения, что, наряду с крайне малым эксцентриситетом орбиты Земли (0,017 – явно недостаточно для последствий столкновения), уже противоречит импактному сценарию.
Гипотеза множественных столкновений
В 2007 году Николай Горькавый опубликовал в «Известиях Крымской астрофизической обсерватории» гипотезу, согласно которой Луна образовалась из регулярного околопланетного облака, масса которого многократно увеличилась за счёт баллистического переноса вещества из мантии Земли. Этот перенос похож на тот, который использует модель мегаимпакта, но он идёт не одним мегаударом, а множеством гораздо менее катастрофичных событий.
По сути, это симбиоз гипотезы аккреции (Рускол, 1975) и гипотезы мегаимпакта (Hartmann, Davis, 1976). «Для небольших планет с твёрдой поверхностью реализуется механизм образования спутников, в котором, кроме классической аккреции, рост диска во многом определяется потоком вещества, выброшенного с поверхности планет…
Для того чтобы захватить прилетающее из космоса вещество на свою спутниковую орбиту, астероид должен уменьшить скорость движения частицы-гостя в тысячи раз. Он может сделать это только одним способом – подставив для разрушения свою поверхность. Тогда микрометеорит, врезавшись в рыхлый реголит на поверхности астероида, погасит свою скорость и отдаст всю энергию окружающему веществу, гораздо большему по объёму, чем сам налетевший метеорит».
Можно согласиться с идеей образования Луны из вещества мантии Земли, но почему это не могло произойти в результате извержений супервулканов? И крайне маловероятно, что выброс породы происходил многократно, тогда форма нашего спутника никак не была бы настолько шарообразна.
Аккреционная модель подразумевает образование кольца вокруг планеты в экваториальной плоскости, тогда как орбита Луны имеет среднее наклонение 5,14° к эклиптике, а к плоскости экватора Земли находится в диапазоне 21,905°–24,970°C периодом 18,62 года. Следовательно, образоваться из околопланетного кольца астероидов Луна могла только при длительном совпадении экваториальной плоскости Земли с орбитой нашего спутника. Предположение, что взаиморасположение Земли и Луны изменилось в дальнейшем в результате импактов, выглядит крайне маловероятным.
Гипотеза захвата
В 1962 году американский геофизик Гарольд Юри предположил, что Земля и Луна образовались независимо, в разных частях Солнечной системы, а потом Луна была захвачена гравитационным полем Земли и стала её спутником.
Для захвата Землёй она должна была пролетать очень близко, ближе предела Роша (радиус круговой орбиты спутника, обращающегося вокруг небесного тела, на котором приливные силы, вызванные гравитацией центрального тела, равны силам самогравитации спутника. – Ред.). Но в таком случае она была быть просто искорёжена мощными приливными силами и разрушена. Если бы она пролетала дальше, то или отклонилась бы и столкнулась с Землёй, или планета отбросила бы её, как при гравитационном манёвре.
Гипотезу захвата окончательно похоронили результаты вычислений, доказавшие, что Земля ни при каких мыслимых обстоятельствах не могла погасить скорость Луны до такой степени, чтобы свести её с околосолнечной траектории. Кроме того, захваченные в подобных условиях спутники Юпитера вращаются в противоположном с планетой направлении. Против гипотезы захвата говорит также радиоизотопное сходство состава пород Луны и земной мантии.
Гипотеза бинарной аккреции
В 1975 году российская исследовательница Евгения Рускол выдвинула теорию совместного образования Земли и Луны как двойной планеты из облака протопланетных тел, окружавшего когда-то Солнце.
Эта модель неплохо интерпретирует многие различия в химическом составе Земли и Луны (например, дефицит лунного железа), объясняя их спецификой формирования роя и переработкой его вещества при последующих множественных столкновениях. Однако в рамки этой модели плохо укладываются дефицит летучих элементов, орбитальное движение и шарообразность Луны. Кроме того, маловероятно образование двух тел из протооблака, вращающегося вокруг общего центра масс.
Гипотеза центробежного разделения
В 1878 году астроном и математик Джордж Дарвин предположил, что в ранние годы своего существования Протоземля вращалась так быстро, что под действием центробежной силы часть материи оторвалась от неё в области экватора, попала на орбиту и образовала Луну.
Учёный рассчитал, что, исходя из закона сохранения момента количества движения, Протоземля должна была вращаться вокруг оси с периодом около четырёх часов. При этом он полагал, что период солнечных приливов на нашей планете мог быть равен двум часам. Считалось, что эта величина приблизительно равна периоду свободных колебаний Протоземли. (Теперь известно, что период соответствующих свободных колебаний равен 55 минутам.) В этом случае должен был возникнуть резонанс, и высота приливов увеличивалась бы до тех пор, пока от Протоземли не отделилась масса, которая стала Луной. Отрыв вещества от растянутого экваториального выступа хорошо объясняет имеющийся размер Луны.
Гипотезу Дж. Дарвина поддержал в 1882 году известный геолог Осмонд Фишер, предположивший, что бассейн Тихого океана образовался именно на том месте, где Луна оторвалась от Земли. В начале XX века эта гипотеза приобрела популярность и стала общепринятой. Впоследствии океанографические исследования дна Тихого океана выявили самый древний его участок в районе Филиппин, но радиус его (около 1000 километров) существенно меньше радиуса Луны (1737 километров).
Однако более поздние исследования и более точные расчёты показали, что отрыв Луны вследствие центробежного ускорения мог произойти только при критической угловой скорости вращения Земли, соответствующей периоду в два часа. При этом только что отделившийся спутник, имевший небольшую скорость удаления от Земли, производил бы приливный эффект, который вернул бы Луну к нашей планете, так как её период обращения был бы меньше периода вращения Земли, и, следовательно, её вращение тормозилось бы. Расчёты показывают, что при критической скорости вращения происходит отрыв 10–20 процентов массы, а масса Луны составляет всего 1,23 процента от массы Земли.
Перечисленные гипотезы даже при беглом анализе вступают в противоречие с известными фактами, перечисленными в сводной таблице.
Таблица. Гипотезы и факты происхождения Луны
Энергетический баланс Земли
С давних времён ни у кого не вызывало сомнений, что Земля обладает громадной внутренней энергией. Но измерить эту величину удалось только во второй половине ХХ века, когда по всей поверхности планеты (в том числе и на дне океанов) было установлено более 20000 датчиков тепла. В итоге с достаточно большой надёжностью была получена величина абсолютного теплового потока, проходящего через поверхность Земли, равная F = 45 ± 1 TВт.
Общая внутренняя энергия планеты (130 TВт) состоит не только из тепловой энергии, но и из энергии, необходимой для поддержания магнитного поля планеты, которая оценивается в 85 TВт. В противном случае поле без источника его регенерации исчезнет относительно быстро.
Ещё недавно основным источником внутренней энергии считался распад долгоживущих радиоактивных изотопов, таких как 238U, 235U, 232Th и 40K, присутствующих в земных породах, включая земное ядро. Недавно при участии 15 университетов США, Западной Европы и Японии была проведена фундаментальная работа по экспериментальному измерению величины теплового потока из недр планеты в атмосферу. Точные измерения потока геонейтрино с помощью детектора Kamioka Liquid Scintillator Antineutrino Detector (Япония) и данные детектора Borexino (Италия) показали, что радиоактивный распад 238U, 235U и 232Th даёт суммарный вклад 20 TВт в тепловой поток Земли. Нейтрино, эмитированные вследствие распада 40K, были ниже предела чувствительности данного эксперимента, но известно, что они дают вклад не более 4 TВт. Таким образом, суммарно энергия радиоактивного распада составляет около 24 TВт.
В монографии Андерсона показано, что только приблизительно 10 TВт энергии может приходиться на нерадиоактивные источники, такие как охлаждение и дифференциация коры, уплотнение мантии и т. д.
Таким образом, получается значительное расхождение: внутри Земли генерируется 34 TВт, а расходуется 130 TВт. Это может быть объяснено только протеканием в недрах планеты реакций синтеза.
Последние исследования показали, что в переносе тепла от ядра к коре главную роль играет вовсе не теплопроводность, а конвективные газо-водородные потоки в мантии, которые должны поддерживаться постоянным источником тепловой энергии, исходящей из ядра нашей планеты.
Для реакций синтеза элементов необходимы как минимум два условия: во‑первых, в ядре Земли должен в значительных количествах присутствовать водород, что вытекает из теории В. Н. Ларина об изначально гидридном ядре планеты; во‑вторых, необходимо наличие сверхвысоких температур и давлений.
Реакции синтеза – источник внутренней энергии планеты
Давление во внутреннем ядре Земли достигает порядка 3,8 миллиона атмосфер. Ежедневно фиксируется более 300 землетрясений, сейсмические волны которых пронизывают земной шар, причём S‑волны затухают в жидком ядре, а Р‑волны (продольные волны сжатия) свободно достигают внутреннего ядра нашей планеты. В местах пучностей продольных волн землетрясений в локальных областях внутреннего ядра Земли давление повышается, достигая уровня, при котором возможно туннелирование и протекание реакций синтеза, как показано в работах Зельдовича и Ванг Хонг-Цханга.
Внутреннее ядро Земли как бы очень медленно «кипит», подобно смоле, то есть при сложении упругих волн в разных местах внутреннего ядра возникают локальные зоны взрывов, которые также порождают сейсмоволны.
В зонах пучностей, где возникают локальные очаги реакций синтеза, резко возрастает температура, происходит разложение гидридов внутреннего ядра на металл, вытесняемый во внешнее ядро, и протонный газ, что приводит к выделению большого количества водорода. При этом объём вещества существенно увеличивается без изменения массы (в одном кубическом сантиметре гидрида железа заключено 550 см 3 водорода), что в свою очередь приводит к увеличению объёма Земного шара. Следует отметить, что цепной термоядерной реакции происходить не может, так как избыток тепла уходит с водородом-теплоносителем во внешние сферы, и температура в зоне пучности падает.
Опираясь на данные сейсморазведки и руководствуясь гипотезой изначально гидридного ядра Земли, удалось построить послойную модель геоструктуры по массе и моменту импульса. При сохранении общепринятых плотностей веществ слоёв минимальная полученная плотность твёрдого гидридного ядра оказалась равной 24,8 т/м3, что хорошо согласуется с результатами В. Н. Ларина («Наша Земля»).
Неоспоримым доказательством протекания реакции ядерного синтеза является наличие её конечных продуктов – изотопов гелия – в вулканических и природных газах. Группой профессора Мамырина (ЛФТИ) при исследовании химсостава газов вулканических выбросов на Камчатке было обнаружено, что отношение 3He/ 4He в мантии Земли стабильно и в тысячу раз больше, чем в земной коре.
Подчеркнём, что Гелий‑3 образуется исключительно при протекании реакций синтеза. Ни при каких химических реакциях и реакциях распада тяжёлых элементов его образование невозможно.
Протоземля до разделения на континенты
Наша планета представляла собой эллипсоид вращения с большей сплюснутостью со средним радиусом около 4500 километров (71 процент от современного).
Водородно-флюидные потоки, возникающие в ядре благодаря реакциям синтеза, переносят к поверхности планеты наибольшее количество тепла, способствуют формированию плюмов вязкого вещества, что играет решающую роль в сейсмических процессах. В геологическом прошлом Земли мощность вулканических извержений была намного больше, интенсивность термоядерных реакций синтеза намного сильнее, и твёрдое ядро занимало около 40 процентов объёма планеты, что значительно больше, чем сейчас.
В раннюю эпоху, когда уже произошла дифференциация земной материи и сформировались кора, мантия и ядро, на границе внутреннего и внешнего ядра Протоземли на глубине около 2000 километров произошёл термоядерный взрыв водорода, в результате чего возникли тихоокеанский и африканский суперплюмы (потоки горячего вещества, восходящие от ядра Земли через мантию до коры или даже до поверхности, их общий объём составляет шесть процентов от объёма земного шара).
Благодаря равномерному распределению давления в жидком ядре земная кора треснула вдоль срединно-океанических хребтов (СОХ). Тихоокеанский суперплюм, достигнув поверхности, образовал супервулкан с кальдерой радиусом порядка 1000 километров, извергший в атмосферу, а затем и в космос, огромную веретенообразную массу магмы, из которой впоследствии образовалась Луна.
Следует учесть, что, наряду с крупным объектом, при выбросе взрывного характера неизбежно в космос вылетают и более мелкие тела. Большая часть осколков имела невысокие скорости и в дальнейшем упала на Землю, вернув ей свою часть количества движения, а высокоэнергетические осколки безвозвратно покинули нашу планету. Можно примерно оценить мощность взрыва, приняв массу вещества, выброшенного на орбиту, равной массе Луны (7,35*1022 кг) и сопутствующих осколков (~15 процентов Mл).
Тем не менее расчёты дают величину кинетической энергии Протолуны 4,6*1030 Дж. Значительная часть энергии взрыва (около 25–30 процентов) поглотилась жидким ядром планеты, образовала суперплюмы и привела к расколу коры на тектонические плиты. Поэтому общую энергию взрыва по минимуму можно оценить величиной Wвз = 6,13*1030 Дж.
Извержение супервулкана с такой энергией – уникальное и единственное в геоистории нашей планеты, но оно лишь в 1000 раз сильнее супервулкана Парана-Этендека и в миллион раз – вулкана Тоба в Индонезии.
Вероятнее всего, кора Земли разошлась в районе Марианской впадины (тёмно-синяя область самой древней части дна Тихого океана) диаметром порядка 2000 километров. Размера этого разрыва оказалось достаточно для выброса Протолуны, так как плотность вещества земных недр составляла порядка 10–12 г/см3, а само оно в момент отрыва от Земли по форме напоминало вытянутую расплавленную каплю.
В момент отделения Луны в точке пересечения эклиптики с экватором Протоземли на широте 5,14° (это угол наклона лунной орбиты) возникла прецессия и наклон земной оси 23,4°. Это хорошо подтверждается векторным сложением моментов импульса Земли, Луны и орбитального момента Селены, дающим в сумме вектор момента импульса Протоземли с углом наклона оси около 2° от перпендикуляра к эклиптике.
Тот факт, что экватор Луны лежит в плоскости эклиптики, свидетельствует, что земная ось приобрела наклон после отделения Луны. С тех пор, как установлено лазерной локацией, наш естественный спутник удаляется по параболической спирали Ферма. В настоящее время на 3,81 сантиметра в год.
При отделении Луны период обращения Земли вокруг Солнца изменился из-за отторгнутого спутника, орбита стала синусоидальной, возник наклон оси к плоскости эклиптики и прецессия Земли, а также периодическое изменение эксцентриситета её орбиты. Суммарно длина года могла увеличиться на несколько суток.
Новый взгляд на геологическую историю Луны
После отделения от Земли, остывая в космосе в условиях невесомости, в результате действия сил поверхностного натяжения, Луна приняла шарообразную форму и при отсутствии внешнего давления значительно увеличилась в объёме. Процесс дегазации недр привёл к всплеску вулканической активности и образованию круглых плоских кратеров глубиной три-четыре километра и к возникновению многочисленных подкорковых полостей. Поскольку Селена в этот момент находилась на небольшом расстоянии от нашей планеты, вследствие гравитационного взаимодействия произошла синхронизация орбитальной и осевой угловых скоростей Луны, что привело к постепенному смещению центра масс Селены примерно на 1,8 километра в сторону Земли.
При попадании в космическое пространство Луна, имевшая изначально форму вытянутой капли, естественно начала вращаться вокруг оси с минимальной инерцией. Наиболее тяжёлая хвостовая часть, состоявшая из самых глубоких пород мантии Протоземли, под действием сил поверхностного натяжения переместилась к Южному полюсу и погрузилась в ещё расплавленное тело нашего спутника, образовав бассейн Южный полюс – Эйткен – и самый большой маскон (локальную зону повышенной плотности и массы) под ним.
Геологические эпохи формирования Луны
Эпоха I: формирование коры (обозначенные коричневым, синим и голубым цветом породы)
Лунная кора двояка во многих отношениях, в том числе по своему составу: там есть возвышенности, состоящие из силикатов кальция и алюминия, известные как полевые шпаты, и низменности видимой стороны, состоящие из базальтов и габброидов. Поскольку наш спутник затвердел из океана магмы, то возвышенности отлично объясняются как флотационная кора толщиной во много километров – нагромождение кристаллов полевого шпата, которые всплывали на поверхность океана магмы в процессе его затвердевания, как лёд плавает на поверхности озера. Кристаллы оливина также затвердевали из остывающей магмы, но они, будучи плотнее, опускались на дно. Если всё произошло именно так, посередине должен был образоваться остаточный слой, который, согласно геохимическим экспериментам, в конце концов имел бы повышенное содержание калия (К), редкоземельных элементов (rare-earth elements, REE), фосфора (P), урана (U) и тория (Tr). Эти элементы относятся к несовместимым со структурой породообразующих минералов и с трудом находят себе место в затвердевающих кристаллах. Свидетельства существования такого слоя, который сокращённо называют KREEP, можно наблюдать во многих районах Луны, но почти исключительно на видимой стороне.
Внешний слой Луны в космосе остыл из-за отсутствия атмосферы, образовав твёрдый слой коры с высоким содержанием тяжёлых элементов. Под действием гравитационных и центробежных сил внутреннее вещество сепарировалось, аналогично земной структуре. Поскольку Луна образовалась в основном из пород мантии Протоземли, доля железа оказалась значительно меньше, чем в нашей планете.
Эпоха II: образование «морей» (обозначенные красным цветом породы)
Поверх сформированной коры происходит образование лунных «морей» – структур площадного растяжения, в которые изливались базальты. Всё это сопровождалось выплеском мантийного вещества из недр благодаря дегазации пород, аналогично эффекту открытия бутылки шампанского. Возникшее при этом центробежное движение заряженных частиц (ядер водорода) при достаточно высокой угловой скорости вращения планетоида привело на короткое время к образованию магнитного поля.
Эпоха III: Эратосфена (по названию одного из кратеров; обозначенные зелёным цветом породы)
Характеризуется уменьшением водородной дегазации, вследствие чего исчезает магнитное поле Луны, затухающая сейсмическая активность проявляется в виде лавовых потоков на поверхности.
Эпоха IV: Коперниковская (обозначенные жёлтым цветом породы)
В результате остывания пород в многочисленных полостях образуются продукты водородной дегазации – вода (в виде льда) и углеводороды. Ярким доказательством этого процесса стало наблюдение Н. А. Козыревым в КрАО выбросов метана из кратера Альфонс.
Новый взгляд на лунные процессы
По результатам измерений гравитационного поля миссией GRAIL и топографическим данным лазерного альтиметра Lunar Orbiter Laser Altimeter (LOLA), Луна имеет мощную кору (толщиной примерно 45 километров со стороны Земли и около 80 километров с противоположной), верхнюю, среднюю и нижнюю мантии и ядро диаметром 400–540 километров.
Ярким свидетельством интенсивного процесса дегазации недр Луны служат кратеры, образующие цепочки, которые, очевидно не являются следами метеоритной бомбардировки.
Достаточно большой момент инерции Луны (8,706*1034 кг*м2) при низкой средней плотности (3345,56 кг/м 3) может быть объяснён моделью с повышенной плотностью приповерхностного слоя и низкой плотностью основного объёма недр. Скорее всего, кора Селены имеет жёсткую, очень плотную подкорку, образованную из тяжёлых элементов, не успевших уйти вглубь в эпоху застывания внешнего слоя. Кроме того, масконы выполняют роль приповерхностных плотных слоёв, формирующих наблюдаемый момент инерции.
Планируемый запуск корабля с ядерной установкой по программе «Нуклон» позволит с помощью георадара и силовой установки мегаваттного класса провести глубинное исследование пород. Исходя из предложенной гипотезы, полагаем, что под внешним слоем реголита и растёкшейся магмы обнаружится твёрдая кора с высоким содержанием тяжёлых элементов, а под ней многочисленные полости – результат дегазации пород, частично заполненные соединениями водорода (льдом и углеводородами). Это одна из важнейших задач возобновляемых лунных экспедиций.
Как мы видим, имеющиеся в настоящее время теоретические и экспериментальные данные полностью опровергают гипотезу мегаимпакта. Предлагаемая гипотеза происхождения Луны в результате термоядерного взрыва водорода гидридного ядра нашей планеты, при всей своей необычности, на первый взгляд, согласуется с имеющимися в нашем распоряжении физико-химическими данными Земли и Луны и не противоречит законам небесной механики.
Игорь ДАБАХОВ, член правления Международного фонда технологий и инвестиций
Юрий ЦАП, д. ф.-м. н., в. н.с. Крымской астрофизической обсерватории
Источник: «НиР» № 9, 2023