Нещодавнє дослідження хімічних елементів у геологічних породах Землі та Місяця спростувало базові гіпотези про походження природного супутника нашої планети. Крихітні відмінності в сегрегаціях ізотопів калію ґрунтів Місяця і Землі виявилися нижчими за межі допустимої помилки в обчисленнях.
Ще 2015 року геохімік Вашингтонського університету Кун Ван розробив метод для порівняльного аналізу ізотопів, який у 10 разів перевищує точність попередніх вимірювань.
Кун Ван, а також його колега з Гарварду Стейн Якобсен тепер повідомили про ізотопні відмінності між місячними і земними породами, які, на їхню думку, доводять двоетапність походження Місяця. Згідно із запропонованою математичною моделлю, на самому початку був зовнішній удар, що сформував прото-планету, оповиту силікатною атмосферою; потім інший, сильніший вплив випарував частину прото-Землі, а вже з величезного надтекучого диска, гравітаційно пов'язаного із Землею, кристалізувався Місяць.
Експериментальні дані ізотопного дослідження, що підтверджують гіпотезу високоенергетичного впливу, опубліковано у виданні Nature. Геохіміки переконані, що процес випаровування Землі в результаті зовнішнього енергетичного впливу.
Яким чином відбувся такий вплив, поки незрозуміло. Можливо, йдеться про астероїдне бомбардування в умовах відсутності магнітного поля прото-Землі, але тут, як то кажуть, є варіанти.
Ізотопна криза
Майже 40 років тому дві групи астрофізиків, незалежно одна від одної, припустили, що Місяць утворився внаслідок поділу прото-Землі на дві частини, внаслідок чого утворилося небесне тіло розміром із Марс.
Однак 2001 року стало відомо, що ізотопні композиції різних елементів у наземних і місячних породах майже ідентичні. Аналіз зразків, привезених із місією "Аполлон" 1970-х років, показав, що Місяць має такий самий достаток трьох стабільних ізотопів кисню, як і Земля.
Вчені вважають дані експериментів дивними. Подальше математичне моделювання енергетичного впливу передбачило, що більша частина матеріалу (60-80%), що відійшла Місяцю, виникла внаслідок удару, а не утворилася в земних (нехай навіть і в екстремальних) умовах. Однак планетарні тіла, які утворюються в різних частинах Сонячної системи, як правило, мають різні ізотопні композиції, настільки різні, що слугують слугують sui generis "відбитками пальців" досліджуваних планет.
Імовірність того, що інше небесне тіло отримало той самий ізотопний підпис, як і Земля, вичерпно мала.
Таким чином, гіпотеза гігантського удару мала серйозну проблему. Вона може відповідати багатьом фізичним характеристикам системи Земля-Місяць, але не їхній геохімії. Ізотопні дослідження спровокували "ізотопну кризу" цієї гіпотези.
Спочатку вчені вважали, що точніші вимірювання можуть вирішити проблему. Але результати експериментів, опубліковані 2016 року, лише підтвердили, що ізотопні композиції не помітні, якщо взагалі ідентичні.
Верифікація
Тому перед геохіміками та геофізиками буквально виникла необхідність коригування гіпотези енергетичного впливу. Мета нових досліджень полягала в пошуку моделі "Місяця із Землі", а не в результаті ударної хвилі. Як результат - кілька десятків матмоделей, які зараз проходять "природний відбір" в академічній спільноті.
В оригінальній моделі гігантський удар розплавив частину Землі, викинута речовина послужила робочим матеріалом для утворення Місяця.
Модель, запропонована 2007 року, додає силікатну атмосферу пари навколо Землі та місячний диск (магма-диск, який є залишком ударного впливу). Ідея полягає в тому, що силікатна пара дала змогу прото-Місяцю обмінюватися речовиною із Землею та водночас конденсуватися з розплавленого диска.
"Вони намагаються пояснити ізотопну схожість додаванням цієї атмосфери, - журиться Ван, - але вони, як і раніше, не визнають низькоенергетичний вплив як оригінальну модель".
Інша модель, запропонована 2015 року, припускала, що вплив був надзвичайно сильним, настільки сильним, що ударний диск і мантія Землі, випаровуючись, змішувалися і перетікали один в одного. Таким чином сформувалася щільна атмосфера розплаву/парової мантії, яка розширилася і заповнила простір, який більш ніж у 500 разів перевищує нинішню Землю. Коли атмосфера охолола, Місяць зміг конденсуватися з отриманих земних порід.
Таке змішання атмосфер пояснює ідентичний ізотопний склад Землі і Місяця, впевнений Ван. Атмосфера мантії була "суперкритичною рідиною", без різних фаз рідини і газу. Надкритичні рідини можуть текти через тверді тіла і розчиняти матеріали.
Чому калій має значення
Згідно з Nature, високоточні дані ізотопів калію мають вирішальне значення для вивчення місячних і наземних порід. Калій має три стабільні ізотопи, але тільки два з них, калій-41 і калій-39, досить рясні, щоб їх виміряти з необхідною точністю.
Ван і Якобсен вивчили 7 зразків місячних порід і порівняли отримане співвідношення ізотопів калію з 8 зразками, що "вийшли" з мантії Землі. Вони виявили, що місячні породи були збагачені важчим ізотопом калію.
Єдиний високотемпературний процес, що дозволяє відокремити ізотопи калію, є неповна конденсація калію від фази пари під час місяцеутворення. Порівняно з більш легким ізотопом, важкий ізотоп випадав з пари і конденсату.
Розрахунки показали, однак, що якщо цей процес відбудеться в абсолютному вакуумі, то він призведе до більш високого збагачення, ніж показали вимірювання Вана і Якобсена. Але вищий тиск пригнічує фракціотацію, доводить Ван. З цієї причини він і його колега припускають, що Місяць конденсувався під тиском у 10 бар.
Висновок про те, що місячні породи збагачувалися важчим ізотопом калію, не підтверджує математичну модель силікатної атмосфери, згідно з якою місячні породи містять менше важчих ізотопів, ніж земні. Той випадок, коли теорія суперечить експериментальним даним.
Тому геологи пропонують модель атмосфери мантії, яка пояснює, чому місячні породи містять більше важких ізотопів, ніж їхні земні аналоги.
Згідно матеріалів досліджень Вашингтонського університету
