Моделирование уточнило, как у Земли появилась Луна

Новое моделирование помогло уточнить, как у Земли появился естественный спутник. Исследователи из Юго-Западного исследовательского института и Университета Аризоны изучили столкновение молодой Земли с объектом размером с Марс, которое произошло около 4,5 млрд лет назад. Работа опубликована в The Astrophysical Journal Letters, а её результаты приводит сайт Университета Аризоны.

В чём новизна подхода

Главным отличием нового подхода стал учёт прочности пород и зависимости их свойств от температуры. Ранее тела, участвовавшие в столкновении, обычно представляли как жидкости, поскольку считалось, что столь мощный удар расплавил и испарил значительную часть Земли и Теи. Однако современные расчёты показали: геологическое состояние обоих объектов заметно влияет на дальнейшее формирование Луны.

«Мы обнаружили, что геологические свойства существовавшей ранее протолуны размером с Марс имеют значение», — сказала Адин Дентон, ранее работавшая постдокторантом в Лаборатории Луны и планет Университета Аризоны, а теперь представляющая Юго-Западный исследовательский институт.

По её словам, при моделировании Земли и Луны как сталкивающихся тел с учётом геологических характеристик меняется сам процесс образования спутника.

Как считали

Для расчётов учёные применили усовершенствованный метод сглаженных частиц — SPH (гидродинамика сглаженных частиц). Использованная версия метода, разработанная в Университете Аризоны и Бернском университете в Швейцарии, учитывает сопротивление деформации у реалистичных материалов: горных пород, металлов и твёрдого льда. Более горячие тела слабее холодных, поэтому температура Земли и Теи до удара стала одним из ключевых факторов.

Что показали расчёты

В зависимости от заданных условий моделирование давало разные результаты. В одних случаях Луна возникала полностью сформированной уже через несколько часов после столкновения, в других вокруг Земли образовывался диск вещества, из которого спутник складывался постепенно. Когда учёные использовали параметры ранних моделей, включая одинаковую температурную структуру обоих тел, целая Луна появлялась примерно через пять часов.

Ранее похожие сценарии с образованием цельного спутника уже встречались в расчётах, но новая работа впервые показала центральную роль прочности вещества и температуры. По словам Робин Кануп, участвовавшей в создании основополагающей модели гигантского столкновения, эти результаты могут связать нынешние физические свойства Луны, включая возможное содержание летучих веществ, с тепловым состоянием Земли и Теи в момент удара.

Справка

Сходство состава Земли и Луны остаётся нерешённой научной проблемой: одна из гипотез предполагает, что Тея и Земля сформировались в общей области Солнечной системы, тогда как Марс возник дальше от неё. Гипотеза гигантского столкновения — основная теория происхождения Луны; согласно ей, около 4,5 млрд лет назад Земля столкнулась с протопланетой Теей размером с Марс, и из выброшенного вещества образовался спутник.

Метод SPH используется в астрофизике для моделирования столкновений и гравитационных взаимодействий; его усовершенствованная версия позволяет учитывать реальные свойства материалов, а не только их плотность и температуру.