Тайна образования Луны, двойных астероидов и лунной воды

В 1988 году в Крымской астрофизической обсерватории доктор физико-математических наук Валентина Владимировна Прокофьева-Михайловская со своей группой начала телевизионные наблюдения блеска астероидов. Телевизионный комплекс был смонтирован на телескопе с диаметром зеркала 0.5 метра. Характерная переменность, зарегистрированная у астероида (87) Сильвия, доказывала, что этот астероид имеет спутник – что и было объявлено в статье 1992 года Прокофьевой В.В. и Демчика М.И. в «Астрономический журнал»: «Астероид 87 Сильвия – двойной» (сейчас известно, что Сильвия – тройной астероид). Признаки двойственности крымские астрономы нашли и у Диотимы, блеск которой менялся с периодом 14.89 часа и 4.56 часа. Крымским астрономам, сообщившим о двойных астероидах, почти никто не поверил, потому что их наблюдения противоречили существующей планетологической парадигме. Астероиды считались строительным мусором на месте несформировавшейся планеты или обломками крупных протоастероидов - планетезималей. Какие у них могут быть спутники? Недоверие исчезло, когда в 1994-м году межпланетная станция «Галилео» неожиданно сфотографировала у неровного астероида Иды округлый спутник Дактиль. Сразу возник вопрос: Как образовались спутники астероидов?

Результаты группы Прокофьевой-Михайловской стали активно обсуждаться в научном сообществе, и было решено подготовить обзор для «Успехов физических наук». В КрАО я слыл специалистом по спутниковым системам, и Валентина Владимировна пригласила меня стать соавтором обзора и написать его теоретическую часть о стабильности, динамике и происхождении спутников астероидов. Это предложение застало меня врасплох, потому что спутники астероидов принципиально отличались от нерегулярных спутников планет-гигантов, которыми я тогда занимался. Тем не менее, для обзора в УФН я сделал все, что было возможно в 1995 году: показал, что орбиты спутников астероидов стабильны (многие астрономы сомневались в этом) и обычно располагаются глубоко внутри сферы Хилла своих главных тел; сделал вывод о быстром образовании астероидных спутников из кольца мелких тел и выдвинул гипотезу о том, что орбиты спутников астероидов могут иметь преимущественно прямое вращение относительно центрального тела.

После выхода обзора, где делался вывод (впоследствии подтвердившийся), что около 10% астероидов должны обладать спутниками, у меня осталось чувство неудовлетворенности, потому что ясного понимания происхождения двойных астероидов не было: принципиальная причина образования сравнительно крупных спутников у мелких астероидов со слабой гравитацией оставалась непонятной. Образование огромной Луны у небольшой Земли представляло аналогичную проблему, но загадочность ситуации предельно обострялась в случае астероидов - из-за слабости их гравитации. Например, представить себе захват астероидом пролетающего тела было практически невозможно – тела пролетали со скоростями в десяток километров в секунду, а орбитальные скорости спутников были в тысячу раз медленнее.

Проблема двойных астероидов и Луны потребовала немало лет для своего решения. Постепенно пришло понимание двух принципиальных пунктов:

• Только соударение быстрого тела с твердой поверхностью каменистой планеты может порождать облако достаточно медленных обломков, имеющих шанс выйти на орбиту и превратиться в спутник астероида или планеты с твердой корой.

• Эффективно остановить выброшенные обломки на орбите вокруг астероида можно только соударением с диском (или другим орбитальным телом), обращающимся вокруг астероида.

Формирование Луны должно было проходить аналогичным образом, хотя оба условия упрощаются для случая достаточно массивной Земли.

В 2004 году я опубликовал краткие тезисы с названием «Новая модель образования Луны» в Бюллетене Американского астрономического общества (Gorkavyi, N. "The New Model of the Origin of the Moon", Bulletin of the American Astronomical Society, 2004, Vol. 36, No. 2, http://adsabs.harvard.edu/abs/2004DDA....35.0711G).

Предложенная мультиимпактная модель соединяла самые удачные части обеих ранее выдвинутых моделей – аккреционного формирования Луны из околопланетного диска, и теории мегаимпакта. Как и теория мегаимпакта, модель предполагала поток обломочного вещества от Земли, только возникшего из-за многих ударов, а не из-за одного катастрофического и маловероятного события. Как и в аккреционной схеме, в новой модели Луна образовывалась из околопланетного диска мелких тел, масса которого была достаточно высокой за счет притока вещества с поверхности Земли, а химсостав был близок к составу литосферы Земли, по плотности близкой к 3 г/см³ и обедненной железом.

             Когда мой американский соавтор, лауреат Нобелевской премии, узнал, что я работаю над альтернативной моделью образования Луны, он дружески предостерег меня, написав в личном письме, что в США "мегаимпакт" столь популярен, что выступить против него - значит, испортить себе жизнь и научную карьеру. Это предупреждение означало и то, что пробиться с новой теорией в западные журналы будет невозможно. Поэтому компьютерный расчет, который показывал, что затравочный протоспутниковый диск вокруг Земли не тает под обстрелом астероидов, а благополучно растет с пиком плотности в зоне Роша, то есть примерно на 2-х радиусах планеты, я опубликовал в журнале Крымской обсерватории: (Горькавый Н.Н., Образование Луны и двойных астероидов. Известия КрАО. 2007. т.103. N 2, стр. 143-155. https://jncrao.ru/index.php/izvcrao/article/view/139)

Суть мультиимпактной теории отражена в картинке, опубликованной в популярной статье:

Рисунок 1. Мультиимпактная модель формирования Луны. Два ударника, с размером около тысячи километров, выбивают из земной коры облако более мелких обломков. Один ударник порождает обломки, движение которых совпадает с направлением вращения протоспутникового диска (по часовой стрелке). Такие обломки присоединяются к диску, увеличивая его массу. Другой ударник выбрасывает обломки, которые сталкиваются с частицами диска на встречных курсах. Такие обломки выпадают на планету. Расчеты показывают, что в результате такой бомбардировки, вокруг Земли растет диск на орбитах с радиусом в 1.5-2 радиуса Земли. Из этого диска образуется Луна, которая сначала выгрызает в диске щель, а потому поглощает его целиком, за исключением, возможно, самых внешних областей диска, где могут успеть возникнуть более мелкие спутники.

Из теории следовало, что спутники астероидов могли постепенно сближаться с главным телом, образуя вот такую гантель:

Рисунок 2. Изображение транснептуна 486958 Arrokoth (главное тело Wenu имеет размеры 21.20 × 19.90 × 9.05 km; меньшее тело Weeyo - 15.75 × 13.85 × 9.75 km ^[19]). New Horizons, 1 January 2019, https://www.nasa.gov/feature/new-horizons-spacecraft-returns-its-sharpest-views-of-ultima-thule).

В целом, к 2016 году тема происхождения Луны и двойных астероидов была, с моей точки зрения, достаточно разработана. Она была изложена на русском языке в качестве приложения к книге «Челябинский суперболид», опубликованной на русском в 2016 году, а на английском – в 2019 (https://www.amazon.com/Chelyabinsk-Superbolide-Springer-Praxis-Books/dp/3030229858). Там было отмечено, что модель мегаимпакта для образования Луны связана с актуальным вопросом о происхождении земных океанов: Откуда взялась на Земле вода?

В 2017 году в мировой науке об образовании Луны произошел тектонический сдвиг. По американской теории мегаимпакта израильтянами был нанесен не меньший мегаимпакт. Студентка Ралука Руфу из Израиля вместе со своим профессором Одедом Ааронсоном и соавтором Хагаи Перецом совершили немыслимое святотатство в «храме мегаимпактной Луны»: в первые дни 2017 опубликовали в Nature-Geoscience статью об мульти-импактном образовании Луны (http://www.nature.com/ngeo/journal/vaop/ncurrent/full/ngeo2866.html). Суть статьи: Луну можно сделать не одним большим, а многими более умеренными ударами. В статье рассматривается последовательность из 20 ударов тел в 0.1-0.01 от массы Земли, которые создают 20 лун, а потом они сливаются в одну большую Луну.

Кстати, за несколько лет до работы Руфу с соавторами, я предлагал Биллу Хартманну, автору теории мегаимпакта, которого знаю не одно десятилетие, попробовать «модифицировать» теорию импакта и рассмотреть 2-3 и более ударов, но энтузиазма эта идея у Билла не вызвала.

О мульти-импактной статье в Nature зашумела мировая пресса, включая «Вашингтон пост», «Нью-Йоркер», «Популярная механика» и т.д. Очень существенно, что пресса такого уровня не ограничивается пересказом истории, она вызывает «на ковер» публичности главных действующих лиц и заставляет их высказываться. Так и «Вашингтон Пост» 11 января 2017 года взял интервью у Сары Симмонс, которая активно работает в области осторожных модификаций мегаимпакта. Она сказала “Вся теория мегаимпакта оказалась в кризисе несколько лет назад, и люди стали думать, что может быть она полностью неверна, потому что мы не можем заставить работать ее в важных моментах». Газета описывает попытки ученых разрешить космохимические проблемы: может, Тея была химически идентична Земле? Может, столкновение испарило оба тела – и потом они скондесировались в современные планету и спутник? Но «Каждый такой трюк делал теорию мегаимпакта еще более невероятной». Сара соглашается: «Если вы делаете это слишком часто, то все начинают чувствовать неловкость».

«Нью-Йоркер» призвал к ответу Роберту Кануп, которая больше других возилась с грядкой мегаимпакта и собрала с нее немалый урожай. Она была вынуждена сказать: «Я аплодирую группе [Руфу и др]. Они убедили меня, что может быть это стоит рассмотреть. Внезапно, мульти-импактный  сценарий стал выглядеть одинаково вероятным [с теорией мегаимпакта] – или невероятным – в зависимости от вашей точки зрения».

Это слово «внезапно» чрезвычайно милое! Главное, что снят психологический барьер перед публикацией мультимпактных теорий – и они уже стали появляться. Совершенно понятно, что верить конкретным утверждениям статьи в Nature насчет 20 тел никакого смысла нет: в космосе распределение тел подчиняется обратному кубу от радиуса тел. Значит, на Землю упало кроме нескольких крупных тел еще сотня тел диаметров в тысячу километров и примерно сто тысяч тел с диаметром в 100 километров. Поэтому никакого перерыва в выбросе вещества земной мантии в космос не было и конкретная динамика образования Луны будет весьма отлична от описанной в статье Руфу с соавторами. Но бесспорно, что реалистичная модель будет мульти-импактной.

Можно сравнить результаты моего расчета 2007 года с суперкомпьютерной симуляцией израильской группы 2017 года:

 

Рисунок 3. Плотность протолунного диска в мультиимпактной модели. Вверху: рисунок из статьи Горькавого 2007 года. Максимальная разница между приростом и убылью массы диска приходится на зону Роша (2.5 радиуса планеты). Внизу: график из статьи Руфу, Ааронсона и Переца (2017). Вертикальная линия – предел Роша. Шкалы расстояний на обоих рисунках примерно одинаковы.

Несмотря на разницу в подходах и методе расчетов, главный результат практически одинаков - протолунное кольцо растет внутри полости Роша. Отсюда видно, что не в мощности компьютеров было дело, а в психологии исследователей. Пока не пришла наивная девушка Ралука и не сказала: «А король-то голый!» Мир западных теоретиков – это своеобразная параолимпиада. Чтобы тут выиграть, надо удачно сломать ногу и хромать в такт со всеми.

Лидеры теоретического майнстрима проигрывают редко, даже полностью провалив научную сторону дела. Аспирантку Ралуку взяли на работу в американскую группу мегаимпакта, и сейчас мультимпактная модель перечисляется в их обзорах вместе с другими "модификациями" теории мегаимпакта.

Отмечу, что мультимпактная модель образования Луны и двойных астероидов основана на том, что спутники возникают благодаря веществу, уносимому с главного тела. Это классическая самоорганизация по Пригожину: спутники являются структурами, которые вырастают, питаясь веществом и угловым моментом улетающей с астероидов пыли. Худеющий астероид создает вокруг себя пространство возможностей. Отсюда следует, что сами астероиды должны худеть! Это согласуется с видом астероидной поверхности, на которой практически отсутствует пылевая фракция: 

Рисунок 4. На изображении слева представлена поверхность Луны, покрытая слоем реголита и пыли. На нем запечатлен момент, когда астронавт НАСА Харрисон Шмитт собирал лунные образцы в рамках миссии «Аполлон-17» на посадочной площадке Таурус-Литтроу 11 декабря 1972 года. Авторство фотографии принадлежит Юджину А. Сернану/НАСА. Справа находится изображение каменистой поверхности астероида-спутника Диморфос диаметром 150 метров (поле зрения фотокамеры 31 метр в поперечнике). Это изображение было получено 26 октября 2022 года с космического корабля DART и предоставлено NASA/Johns Hopkins APL.

 В августе этого года от сингапурского журнала по планетологии я получил приглашение и за две недели написал обзор, в котором впервые достаточно детально изложил на английском свою мультиимпактную теорию образования двойных астероидов и Луны. В статью я включил и ряд других вопросов, в частности, формирование спиральных каньонов на полюсах Весты (и борозд на ее экваторе) и обсуждение происхождения воды на Луне. Я считаю, что лунной воды должно быть много, она должна совпадать по изотопному составу с земной и иметь аналогичное происхождение из планетезималей. Как известно, внутри земной мантии количество воды не меньше, чем в мировом океане (https://naked-science.ru/article/geology/obnaruzhili-massu-vody-gluboko-v-zemnoj-mantii), видимо, благодаря кристалогидратам (например, молекула гипса содержит две молекулы воды).

На километровую мощность подземной мерзлоты указывают характерные оползни и регулярное расположение трещин в областях лунных полюсов. С помощью НАСА-софта MOON Trek (https://trek.nasa.gov/moon) я с удовольствием исследовал лунные полярные области, которые разительно отличались от обычных экваториальных областей, например,  сглаженностью очертаний кратеров и рельефом, в котором видны явные признаки самоорганизации и неустойчивостей.

Рисунок 5. (а) На снимке показано возникновение оползня вдоль края кратера, расположенного в районе 87,1° ю.ш. и 95,0° з.д. на поверхности Луны.Примечательно, что видны трещины протяженностью в многие сотни метров, как указано красной стрелкой.Кроме того, белой стрелкой отмечены более мелкие складки размером в десятки метров (см. врезку).На этом рисунке используется версия MOONTrek: 3.4.140 (источник: https://trek.nasa.gov/moon/).(б) На этой части рисунка изображено узорчатое образование на Земле, состоящее из крупных складок, обозначенных красной стрелкой, а также более мелких морщин, показанных белой стрелкой.Такие геоморфологические структуры встречаются в зоне таяния вечной мерзлоты на Земле (данная - имеет координаты 67,4° с.ш. и 134,8° в.д., и получена из Google Maps).

Рисунок 6. (а) Лунный рельеф в районе Северного полюса Луны имеет характерные особенности, характеризующиеся сглаженными формами (левый нижний угол фотографии имеет координаты 85,8° с.ш., 133,5° в.д.).(b) Оползень на краю кратера (86,0° с.ш., 137,9° в.д.).(c) Узорчатая поверхность в районе 85,9° с.ш., 133,9° в.д.(d) Правильные структуры различного масштаба в районе 86,1° с.ш., 125,1° в.д.Желтые стрелки на (b,c,d) указывают на квазирегулярные структуры, часто различной ориентации, характерные для особенностей рельефа зон вечной мерзлоты.Изображения (a)–(d) взяты из NASA/MOONTrek Версия: 3.4.140.

Обзор быстро прошел пару раундов рецензирования и был опубликован в октябрьском номере журнала (и свободно выложен на его сайте). В декабре 2023 года эта статья стала самой популярной в журнале Earth and Planetary Science по количеству просмотров и скачиваний: Gorkavyi, N. «Origin of the Moon and Lunar Water». Earth and Planetary Science, 2023, 2(2), 86–99. https://doi.org/10.36956/eps.v2i2.940

            Эта публикация завершает для меня тему образования Луны, но мультиимпактная концепция образования Луны и двойных астероидов содержит массу малоизученных вопросов – именно поэтому она представляет прекрасную возможность для приложения сил молодых ученых. Образование Луны и лунной воды входит сейчас в ряд наиболее актуальных тем в области космических исследований.