Опровергнута одна из самых популярных гипотез об образовании Земли
Новое исследование международной команды астрономов опровергло одну популярную гипотезу о происхождении Земли, но подтвердило другую. Оно показало, наша планета, как и Марс, вероятно, возникли в результате столкновения гигантских космических тел размером с Луну.
Как сообщает Space.com, команда решила на практике проверить две гипотезы, которые были выдвинуты в ходе предыдущих исследований. Ранее компьютерное моделирование позволило определить два основных способа формирования таких твердых каменистых планет, как Земля.
Первый предполагает, что на ранней стадии существования Солнечной системы планеты начали формироваться из своего рода зародышей — крупных космических тел размером с Луну или чуть больше нее. Данная модель предполагает, что такие зародыши могли регулярно сталкиваться, в результате чего и появились планеты.
Альтернативная теория предполагает, что Земля формировалась в течение очень длительного периода времени, непрерывно притягивая к себе крошечные, по космическим меркам, камни, дрейфующие на пути из внешних частей Солнечной системы.
Постепенно слипаясь и накапливаясь, эти камни образовали планету, как снежный ком.
В новом исследовании ученые проанализировали 22 грамма материала, отобранного из 17 метеоритов, которые прилетели на Землю с Марса. Отметим, что это древнейшие метеориты. Считается, что они были выброшены с поверхности Красной планеты на ранней стадии ее существования, когда древние астероиды бомбардировали Марс.
Изученные образцы различаются по своему изотопному составу, в частности, по количеству нейтронов в ядрах химических элементов. Сначала ученые измерили уровни изотопов титана, циркония и молибдена в материалах с Марса и Земли. Полученные результаты они сравнили с изотопным составом различных групп метеоритов, которые попали на нашу планету как из внутренней, так и из внешней частей Солнечной системы.
Анализ показал, что твердые породы Земли и Марса по своему составу больше напоминают метеориты из внутренней части Солнечной системы. Только около четырех процентов их состава похожи на материал камней из внешней части Солнечной системы.
Авторы работы отмечают, что проведенное ими исследование охватило наибольший объем метеоритов, который когда-либо использовался для подобного анализа.
«В целом, мы разрешаем противоречивые интерпретации предыдущих исследований и показываем, что Земля и Марс были сформированы из материала, который в значительной степени возник во внутренней части Солнечной системы, — говорит ведущий автор исследования Кристоф Буркхардт, планетолог из Мюнстерского университета в Германии. — Лишь несколько процентов строительных блоков этих двух планет возникли за пределами орбиты Юпитера. Таким образом, мы отвечаем на фундаментальный вопрос о том, из чего состоит Земля, и это позволяет нам ответить на еще более фундаментальный вопрос о том, как Земля была сформирована».
При этом ученый отмечает, что постепенное сливание более мелких космических камней может играть достаточно важную роль в процессе формирования каменистых планет вокруг других протозвезд. Однако в случае с Землей, вероятно, эта роль была незначительной.
Новое исследование говорит о том, что наша планета была сформирована в результате столкновения крупных объектов размером с Землю.
Что касается «космической гальки», то подавляющую ее часть, по мнению авторов работы, притянул к себе Юпитер, и она попросту не добралась до Земли. Полученные результаты также предполагают, что Земля и Марс, вероятно, когда-то поглотили материал тех гигантских космических тел, которые в настоящее время неизвестны науке.
ТЕОРИЯ ПРОИСХОЖДЕНИЯ ЗЕМЛИ 2-й ПОЛОВИНЫ XX ВЕКА И НАЧАЛА XXI ВЕКА
Ключевые слова: происхождение Земли и планет, протопланетное (допланетное) облако, планетезимали, планетная космогония
Список литературы: Адушкин В.В., Витязев А.В. Происхождение и эволюция Земли: современный взгляд // Вестн. РАН. 2007. Т. 77, № 5. С.396-402.
Витязев А.В., Печерникова Г.В., Сафронов В.С. Планеты земной группы: Происхождение и ранняя эволюция. М.: Наука, 1990. 296 с.
Вопросы космогонии / Отв. ред. Б. В. Кукаркин. М.: Изд-во АН СССР. Т. I, 1952; T. II, 1954; T. III, 1954; T. IV, 1955; T. V, 1957; T. VI, 1958; T. VII, 1960; T. VIII, 1962; T. IX, 1963; T. X, 1964.
Гуревич Л.Э., Лебединский А.И. Об образовании планет. I, II, III // Изв. АН СССР. Сер. Физ. 1950. Т. 14, № 6. С.765-799.
Дорофеева В.А., Макалкин А.Б. Эволюция ранней Солнечной системы. Космохимические и физические аспекты. М.: УРСС, 2004. 264 с.
Ипатов С.И. Миграция небесных тел в Солнечной системе. М.: УРСС, 2000. 318 с.
Кусков О.Л., Дорофеева В.А., Кронрод В.А., Макалкин А.Б. Системы Юпитера и Сатурна: Формирование, состав и внутреннее строение крупных спутников. М.: Издательство ЛКИ / URSS. 2008. (В печати).
Левин Б.Ю. О расстояниях и массах планет // Вопросы космогонии. 1960. Т. 7. С.55-58.
Левин Б.Ю. Происхождение Земли и планет. 4-е изд. М.: Наука, 1964. 116 с.
Рузмайкина Т.В., Маева С.В. Исследование процесса формирования Солнечной туманности // Астрон.
вестн. 1986. Т. 20. С. 212-227.
Рускол Е.Л. К вопросу об образовании протопланет // Вопросы космогонии. 1960а. Т. 7. С.8-14.
Рускол Е.Л. О происхождении Луны. I // Астрон. журн. 1960б. Т.37. N4. С.690-702; II // Астрон. журн. 1963. Т. 40, № 2. C.288-296.
Рускол Е.Л. Происхождение Луны. М.: Наука, 1975. 188 с.
Рускол Е.Л. Происхождение спутников Юитера и Сатурна в аккреционных дисках // Астрон. вестн. 2006. Т. 40. С.499-504.
Сафронов В.С. О росте планет в протопланетном облаке // Астрон. журн. 1954. Т. 31, № 6. С.499-510.
Сафронов В.С. О гравитационной неустойчивости в плоских вращающихся системах с осевой симметрией // Докл. АН СССР. 1960а. Т. 130, № 1. С.53-56.
Сафронов В.С. К вопросу об образовании и эволюции протопланетных пылевых сгущений // Вопросы космогонии. 1960б. Т. 7. С.121-141.
Сафронов В.С. Частный случай решения уравнения коагуляции // Докл. АН СССР. 1962а. Т. 147, № 1. C. 64-67.
Сафронов В.С. О дисперсии скоростей во вращающихся системах гравитирующих тел с неупругими столкновениями // Вопросы космогонии.
1962б. Т. 8. С.168-179.
Сафронов В.С. Размеры наибольших тел, падавших на планеты в процессе их образования // Астрон. журн. 1965. Т. 42, № 6. C.1270-1276.
Сафронов В.С. Эволюция допланетного облака и образование Земли и планет. М.: Наука, 1969. 244 с. Англ. пер.: Safronov V.S. Evolution of the protoplanetary cloud and the formation of the Earth and the planets. Washington: NASA TTF 677, 1972. 206 p.
Сафронов В.С., Рускол Е.Л. О гипотезе турбулентности в протопланетном облаке // Вопросы космогонии 1957. Т. 5. С.22-46.
Труды I совещания по вопросам космогонии, 16-19 апреля 1951 г. / Ред. И.Г. Петровский. М.: Изд-во АН СССР, 1951. 373 с.
Фридман А.М. [Из предисловия] // Избранные труды В.С. Сафронова. М.: ОИФЗ РАН, 2002. Т. 1. С. 4-5.
Шмидт О.Ю. Метеоритная теория происхождения Земли // Докл. АН СССР. 1944. Т. 45, № 6. C.245-249.
Шмидт О.Ю. Четыре лекции о теории происхождения Земли. М.: Изд-во АН СССР, 1949. 70 с.; 2-е изд. (доп.). 1950.
95 с.; 3-е изд. (доп.). 1957. 140 с.
Шмидт О.Ю. О происхождении астероидов // Докл. АН СССР. 1954. Т. 96, № 3. С. 449-452.
Asteroids / Ed. T. Gehrels. Tucson: Univ. Ariz. Press, 1979.
Asteroids II / Eds. R.P. Binzel, T. Gehrels, M.S. Matthews. Tucson: Univ. Ariz. Press, 1989.
Asteroids III / Eds. W. Bottke, A. Cellino, P. Paolicchi, R.P. Binzel. Tucson: Univ. Ariz. Press, 2003.
Beckwith S.V.W., Sargent A.I., Chini R.S., Guesten R. A survey for circumstellar disks around young stellar objects // Astron. J. 1990. Vol. 99. P.924-945.
Brush S.G. Theories of the origin of the solar system 1956-1985 // Rev. Mod. Phys. 1990. Vol. 62, N 1. P.43-112.
Canup R.M., Ward W.R. Formation of the Galilean satellites: conditios of accretion // Astron. J. 2002. Vol. 124. P. 3404-3423.
Edgeworth K.E. The origin and evolution of the Solar system // Month. Not. Roy. Astr. Soc. 1949. Vol. 109, N 5. P.600-609.
Kaula W.M. Book review: The Origin… // Icarus.
1996. Vol. 123. P. 584.
Kokubo E., Ida S. Oligarchic growth of protoplanets // Icarus. 1998. Vol. 131. P. 171-178.
Lissauer J.J., Safronov V.S. The random component of planetary rotation // Icarus. 1991. Vol. 93, N 2. P.260-271.
Lissauer J.J., Stevenson D.J. Formation of giant planets // Protostars and Planets V / Eds. B. Reipurth, D. Jewitt, K. Keil. Tucson: Univ. Ariz. Press, 2007. P. 591-606.
On the origin of the Solar system / Ed. H. Reeves (Nice Symp.) Paris: CNRS, 1972. Рус. пер.: Происхождение Солнечной системы. М.: Мир, 1976.
Origin of the Earth and Moon / Eds. R.M. Canup, K. Righter. Tucson: Univ. Ariz. Press. Sp. Sci. Series, 2000. 555 p.
Origin of the Moon / Eds. W.K. Hartmann, R.J. Phillips, G.J. Taylor. Houston: Lunar and Planetary Institute, 1986. 781 p.
Pater I., de, Lissauer J.J. Planetary Sciences. Cambridge: Univ. Press, 2004. 528 p.
Peale S.J., Cassen P., Reynolds R.T. Melting of Io by tidal dissipation // Science. 1979.
Vol. 203. P.892-894.
Protostars and Planets / Ed. T. Gehrels. Tucson: Univ. Ariz. Press, 1978. Рус. пер.: Протозвезды и планеты. В 2 ч. М.: Мир, 1982. 870 c.
Protostars and Planets II / Eds. D.C. Black, M.S. Mattews. Tucson: Univ. Ariz. Press, 1985.
Protostars and Planets III / Eds. E.H. Levy, J.I. Lunine. Tucson: Univ. Ariz. Press, 1993.
Protostars and Planets IV / Eds. V. Mannings, A.P. Boss, S.S. Russell. Tucson: Univ. Ariz. Press, 2000.
Protostars and Planets V / Eds. B. Reipurth, D. Jewitt, K. Keil. Tucson: Univ. Ariz. Press, 2007.
Safronov V.S. Ejection of bodies from the solar system in the course of the accumulation of the giant planets and the formation of the cometary cloud // The motion, evolution of orbits and origin of comets / Eds. G.A. Chebotarev, E.I. Kazimirchak-Polonskaya, B.G. Marsden. Dordrecht: Reidel, 1972. P.329-334.
Safronov V.S., Pechernikova G.V., Ruskol E.L., Vitjazev A.V. Protosatellite swarms // Satellites / Eds.
J.A. Burns, M.S. Mattews. Tucson: Univ. Ariz. Press, 1986. P. 284-296.
Stevenson D.J. Origin of the Moon — the сollision hypothesis // Ann. Rev. Earth and Planet. Sci. 1987. Vol. 15. P. 271-315.
Tanga P., Weidenschilling S.J., Michel P., Richardson D.C. Gravitational instability and clustering in a disk of planetesimals // Astron. Astrophys. 2004. Vol. 427. P.1105-1115.
The origin of the Solar system. Soviet Research 1925-1991 / Eds. A.E. Levin, S.G. Brush. N.Y.: Amer. Inst. of Physics, 1995. 415 p.
Thommes E.W., Duncan M.J., Levison H.F. Oligarchic growth of giant planets // Icarus. 2003. Vol. 161. P. 431-455.
Yin Q., Jacobsen S.B., Yamashita K. et al. Short timescale for terrestrial planet formation from Hf-W chronometry of meteorites // Nature. 2002. Vol. 418. P.949-952;
Kleine T., Muenker C., Mezger K., Palme H. Rapid accretion and early core formation on asteroids and the terrestrial planet from Hf-W chronometry // Nature. 2002. Vol. 418.
P.952-955.
Объяснение происхождения жизни на Земле
Серия объяснений
Узнайте больше о прорывах, впервые реализованных в Чикагском университете
По Стив Коппес
Происхождение жизни на Земле считается одной из величайших загадок науки. Были предложены различные ответы, но все они остаются непроверенными. Чтобы выяснить, одни ли мы в галактике, нам нужно лучше понять, какие геохимические условия взрастили первые формы жизни. Какие водные, химические и температурные циклы способствовали химическим реакциям, позволившим зародиться жизни на нашей планете? Поскольку жизнь зародилась в малоизученных поверхностных условиях ранней истории Земли, ответы на эти и другие вопросы остаются сложной задачей.
В Чикагском университете было проведено несколько основополагающих экспериментов по этой теме, в том числе эксперимент Миллера-Юри, который показал, как строительные блоки жизни могут формироваться в первозданном бульоне.
Перейти к разделу:
- Когда зародилась жизнь на Земле?
- Где зародилась жизнь на Земле?
- Каковы составляющие жизни на Земле?
- Каковы основные научные теории возникновения жизни?
- Что такое хиральность и почему она важна с биологической точки зрения?
- Какие исследования происхождения жизни в настоящее время проводят ученые Калифорнийского университета в Чикаго?
Земле около 4,5 миллиардов лет. Ученые считают, что 4,3 миллиарда лет назад на Земле могли быть созданы условия, подходящие для поддержания жизни. Однако самым старым известным окаменелостям всего 3,7 миллиарда лет. В течение этого окна в 600 миллионов лет жизнь могла возникать неоднократно, но только для того, чтобы быть уничтоженной катастрофическими столкновениями с астероидами и кометами.
Детали тех ранних событий плохо сохранились в древнейших горных породах Земли. Некоторые намеки исходят от древнейших цирконов, очень прочных минералов, образовавшихся в магме. Ученые обнаружили следы формы углерода — важного элемента живых организмов — в одном из таких цирконов возрастом 4,1 миллиарда лет. Тем не менее, это не дает достаточно доказательств, чтобы доказать существование жизни в то раннее время.
Где зародилась жизнь на Земле?В вулканически активных гидротермальных средах на суше и на море существуют две возможности.
Некоторые микроорганизмы процветают в обжигающей, очень кислой среде горячих источников, подобных тем, которые сегодня встречаются в Исландии, Норвегии и Йеллоустонском национальном парке. То же самое касается глубоководных гидротермальных источников. Эти дымоходы образуются там, где морская вода вступает в контакт с магмой на дне океана, в результате чего образуются потоки перегретых шлейфов. Микроорганизмы, живущие рядом с такими шлейфами, побудили некоторых ученых предположить, что они являются местом рождения первых форм жизни на Земле.
Органические молекулы также могли образовываться в некоторых типах глинистых минералов, что могло бы создать благоприятные условия для защиты и сохранения. Это могло произойти на Земле в ее ранней истории или на кометах и астероидах, которые позже принесли их на Землю в результате столкновений. Это предполагает, что тот же самый процесс мог посеять жизнь на планетах в других частях Вселенной.
Из чего состоит жизнь на Земле?Рецепт состоит из постоянного источника энергии, органических соединений и воды.
Солнечный свет обеспечивает источник энергии на поверхности, который управляет фотосинтезом. На дне океана геотермальная энергия поставляет химические питательные вещества, необходимые организмам для жизни.
Также важны элементов, важных для жизни . Для нас это углерод, водород, кислород, азот и фосфор.
Но есть несколько научных загадок о том, как эти элементы оказались вместе на Земле. Например, ученые не ожидали, что планета, сформировавшаяся так близко к Солнцу, будет естественным образом включать углерод и азот. Эти элементы становятся твердыми только при очень низких температурах, которые существуют во внешней части Солнечной системы, а не ближе к солнцу, где находится Земля. Кроме того, углерод, как и золото, редко встречается на поверхности Земли. Это потому, что углерод химически чаще связывается с железом, чем с камнем. Золото также чаще связывается с металлом, поэтому большая его часть оказывается в ядре Земли. Итак, как туда попали небольшие количества, найденные на поверхности? Мог ли аналогичный процесс развернуться и на других планетах?
Последний ингредиент вода. В настоящее время вода покрывает около 70% поверхности Земли, но сколько ее было на поверхности 4 миллиарда лет назад? Подобно углероду и азоту, вода с гораздо большей вероятностью войдет в состав твердых объектов, образовавшихся на большем расстоянии от Солнца.
Чтобы объяснить его присутствие на Земле, одна из теорий предполагает, что класс метеоритов, называемых углеродистыми хондритами, образовался достаточно далеко от Солнца, чтобы служить системой доставки воды.
Существует несколько теорий возникновения жизни на Земле. К ним относятся:
Жизнь возникла из первобытного бульона
Будучи аспирантом Чикагского университета в 1952 году, Стэнли Миллер провел знаменитый эксперимент с Гарольдом Юри, лауреатом Нобелевской премии по химии. Их результаты исследовали идею о том, что жизнь сформировалась в первозданном бульоне.
Миллер и Юри ввели аммиак, метан и водяной пар в закрытый стеклянный контейнер, чтобы имитировать то, что тогда считалось условиями ранней атмосферы Земли. Затем они пропускали через контейнер электрические искры, чтобы имитировать молнию.
Теперь ученые считают, что ранняя атмосфера Земли имела химический состав, отличный от рецепта Миллера и Юри. Тем не менее, эксперимент породил новую научную область под названием пребиотическая или абиотическая химия, химия, предшествовавшая зарождению жизни. Это противоположно биогенезу, идее, что только живой организм может породить другой живой организм.
Посеянные кометами или метеорами
Некоторые ученые считают, что некоторые важные для жизни молекулы могут быть получены за пределами Земли. Вместо этого они предполагают, что эти ингредиенты пришли из метеоритов или комет.
«Однажды коллега сказал мне: «Гораздо проще построить дом из лего, когда они падают с неба», — сказал Фред Сьесла, профессор геофизики из Калифорнийского университета в Чикаго. Цисла и его коллега Скотт Сэндфорд из Исследовательского центра Эймса НАСА опубликовали исследование, показывающее, что сложные органические соединения легко образовывались в условиях, которые, вероятно, преобладали в ранней Солнечной системе, когда формировалось много метеоритов.
тогда могли служить космическими Mayflowers, которые доставляли молекулярные семена на Землю. В 1969 метеорит Мерчисон, упавший в Австралии, содержал десятки различных аминокислот — строительных блоков жизни.
Согласно экспериментальным результатам, опубликованным в 2001 году группой исследователей из Аргоннской национальной лаборатории, Калифорнийского университета в Беркли и Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли,кометы могли также предложить поездку молекулам, путешествующим автостопом по Земле. Показав, что аминокислоты могут пережить столкновение огненной кометы с Землей, команда укрепила идею о том, что сырье для жизни пришло из космоса.
В 2019 году группа исследователей из Франции и Италии сообщила об обнаружении внеземного органического материала, сохранившегося в отложениях возрастом 3,3 миллиарда лет в Барбертоне, Южная Африка. Команда предположила, что микрометеориты являются вероятным источником материала. Дополнительные такие доказательства были получены в 2022 году из образцов астероида Рюгу, доставленных на Землю японской миссией Хаябуса-2.
Количество аминокислот, обнаруженных в образцах Рюгу, теперь превышает 20 различных типов.
В 1953 году исследователи Калифорнийского университета в Чикаго опубликовали знаменательную статью в журнале Journal of Biological Chemistry , которая ознаменовала открытие концепции прохиральности, которая пронизывает современную химию и биологию. В документе описан эксперимент, показывающий, что хиральность молекул — или «рукость», во многом похожая на то, как правая и левая руки отличаются друг от друга, — управляет всеми жизненными процессами. Без хиральности большие биологические молекулы, такие как белки, не смогли бы образовать структуры, которые можно было бы воспроизвести.
Какие исследования происхождения жизни в настоящее время проводят ученые Калифорнийского университета в Чикаго? Сегодня исследования происхождения жизни в Университете Чикаго расширяются.
По мере того, как ученым удавалось находить все больше и больше экзопланет, то есть планет вокруг звезд в других частях галактики, вопрос о том, каковы основные ингредиенты жизни и как искать их признаки, обострился.
Лауреат Нобелевской премии Джек Шостак присоединился к факультету Чикагского университета в качестве профессора химии в 2022 году и возглавит новую междисциплинарную университетскую инициативу «Происхождение жизни» для координации исследований происхождения жизни на Земле. К инициативе присоединяются ученые из нескольких отделов Отделения физических наук, в том числе специалисты в области химии, астрономии, геологии и геофизики.
«Прямо сейчас мы получаем поистине беспрецедентные объемы данных: такие миссии, как Hayabusa и OSIRIS-REx, доставляют нам кусочки астероидов, что помогает нам понять условия, в которых формируются планеты, а новый телескоп НАСА JWST получает поразительные данные о солнечной системы и планет вокруг нас», — сказал профессор Чесла.
«Я думаю, что мы добьемся огромного прогресса в этом вопросе».
Последнее обновление: 19 сентября 2022 г.
Объяснение образования Земли и Луны
Серия объяснений
Узнайте больше о прорывах, впервые реализованных в Чикагском университете
По Саша Уоррен
Земля образовалась более 4,6 миллиардов лет назад из смеси пыли и газа вокруг молодого Солнца. Он стал больше благодаря бесчисленным столкновениям между частицами пыли, астероидами и другими растущими планетами, включая один последний гигантский удар, выбросивший в космос достаточно камней, газа и пыли, чтобы сформировать Луну.
Несмотря на то, что горные породы, отражающие самые ранние периоды истории Земли, были разрушены или деформированы геологической деятельностью более четырех миллиардов лет, ученые могут использовать современные горные породы, образцы Луны и метеориты, чтобы выяснить, когда и как сформировались Земля и Луна, а также что они, возможно, когда-то выглядели так.
Перейти к разделу:
- Как образовались Земля и Луна?
- Как и когда образовалась ранняя Земля?
- Как образовалась Луна?
- Когда образовалась Луна?
- Как выглядела ранняя Земля?
- Как выглядела ранняя луна?
- Какие вопросы остаются?
Земля, как и все другие планеты Солнечной системы, начала свою жизнь как диск из пыли и газа, вращающийся вокруг молодого Солнца. Частицы пыли были собраны силами сопротивления, чтобы сформировать глыбы породы, которые выросли в «планетезимали» диаметром от десятков до сотен миль, а затем в «протопланеты» размером с Марс, сталкиваясь друг с другом.
Земля выросла до своего окончательного размера в результате последнего крупного столкновения с другим объектом размером с Марс.
Это последнее столкновение, также известное как «лунообразующее столкновение», было настолько сильным, что — в дополнение к добавлению большого количества материала на Землю — было достаточно энергии, чтобы испарить часть камня и металла как с протоземли, так и с Земли. воздействующий объект. Этот пар образовал диск вокруг Земли, который в конечном итоге остыл и слипся, превратившись в Луну.
Мы знаем это благодаря тщательным исследованиям метеоритов и образцов горных пород, в том числе в Чикагском университете, в 20-м и 21-м веках.
Понимание того, как сформировались Земля и Луна, важно для того, чтобы собрать воедино историю Солнечной системы и ответить на такие вопросы, как время формирования планет, из чего состоят планеты и что делает планету пригодной для жизни. Это также направляет ученых-планетологов в их поисках других обитаемых (или обитаемых!) миров в нашей Солнечной системе и за ее пределами!
Как и когда образовалась ранняя Земля? Теперь ученые считают, что история Земли началась около 4,6 миллиарда лет назад в дисковидном облаке пыли и газа, вращающемся вокруг раннего Солнца и состоящем из материала, оставшегося после формирования Солнца.
Внутри этого диска частицы газа и пыли разного размера вращаются вокруг Солнца с несколько разной скоростью, что позволяет им сталкиваться друг с другом и слипаться. В конце концов, они превратились из крошечных пылинок в валуны, а затем в более крупные «планетезимали», диаметр которых варьировался от миль до сотен миль.
Поскольку эти планетезимали были крупнее валунов, они обладали достаточно сильной гравитацией, чтобы стягивать соседние планетезимали с орбиты и поглощать их в результате столкновений, что позволяло некоторым планетезималям становиться все больше и больше, пока они не достигли тысяч миль в диаметре — примерно размером с Луна и Марс.
Откуда мы знаем?
Ключ — метеориты. Метеориты приносят на Землю множество различных материалов со всей Солнечной системы, где ученые могут их изучать. Эти материалы включают хондры — крошечные кусочки пыли и камня, которые уцелели еще до образования планет, а также кусочки астероидов и планетезималей, оставшиеся в процессе строительства планет.
Радиоактивные элементы, такие как уран и гафний, задерживаются внутри минералов, из которых состоят эти объекты, когда они формируются, что позволяет ученым-планетологам определить, сколько им лет.
Используя эти измерения и моделирование физики пыли и столкновений планетезималей, планетологи и астрономы установили, что процесс превращения пыли в протопланету занимает десятки миллионов лет.
Но финальная стадия формирования планет в нашей Солнечной системе могла занять гораздо больше времени — до ста миллионов лет или около того. Это было не только последнее крупное добавление материала к Земле, но и событие, которое сформировало Луну — и это одна из самых обсуждаемых частей истории.
Как образовалась Луна? Ученые предложили несколько различных теорий образования Луны. Однако история, которая лучше всего подтверждается всеми доступными данными, состоит в том, что Луна образовалась во время гигантского столкновения между прото-Землей и другой протопланетой размером примерно Марс, иногда известный как «Тейя».
Согласно этой теории, Луна образовалась из обломков удара — смеси расплавленной породы и горячего газа — выброшенных в космос в результате удара, потенциально сформировав диск материала, известный как «лунная синестия».
Альтернативные теории, предложенные учеными, включают:
- Луна оторвалась от Земли («Теория деления»)
- Луна образовалась в другом месте Солнечной системы и была захвачена гравитацией Земли («Теория захвата»)
- Земля и Луна образовались из протопланетного диска одновременно («Соформация»)
Откуда мы знаем?
Образцы горных пород с Луны, принесенные на Землю лунными метеоритами и высадкой на Луну Аполлона, могут быть использованы для понимания истории Луны и ее связи с Землей через химический состав их минералов.
Ученые-планетологи, такие как профессор Николас Дофас и профессор Энди Дэвис с факультета геофизических наук Чикагского университета, проводят точные измерения лунных образцов, чтобы точно определить, из чего они сделаны, и определяют химические следы различных геологических процессов, таких как плавление и перемешивание горных пород и испарение газов.
Первая большая подсказка о том, откуда появилась Луна, связана с кислородом. Кислород, как и многие другие элементы, может существовать в нескольких формах, известных как изотопы. Различные типы метеоритов, прилетающие из астероидов, оставшихся в Солнечной системе после образования планет, имеют разные пропорции каждого из этих изотопов кислорода. Итак, измеряя изотопы кислорода на данной планете, планетологи могут рассчитать различные типы астероидов, которые столкнулись, чтобы сформировать планету. Лунные образцы имеют очень похожий состав изотопов кислорода на Землю.
Некоторые ученые считают, что изотопы кислорода появились потому, что объект, упавший на Землю, состоял из той же смеси метеоритов, что и сама Земля, что потенциально позволяет предположить, что планета-ударник образовалась недалеко от Солнечной системы.
Другие ученые предполагают, что после удара весь кислород смог перемещаться в горячем паре, окружающем Землю и Луну, смешивая все различные изотопы кислорода и стирая любые первоначальные различия между Землей и Тейей.
Однако между химией Земли и Луны тоже есть много различий. При высоких температурах, достигаемых во время планетных столкновений, многие элементы, которые мы не привыкли считать газами, например, калий, цинк и натрий, могут существовать в виде пара. Концентрации этих «летучих» элементов в лунных породах намного ниже, чем в породах на Земле.
Одна из возможностей состоит в том, что у горячих обломков, образовавшихся при ударе, было много времени, чтобы испарить эти элементы, прежде чем они слиплись вместе, образовав луну. Во-вторых, когда образовалась Луна, она была очень горячей с глубоким магматическим океаном, как и Земля, а низкая гравитация и отсутствие атмосферы на Луне позволяли летучим элементам, которые не вырвались из более крупного объекта, испаряться в космос.
Обе эти улики трудно объяснить без гигантского удара. Ударное происхождение Луны обеспечивает высокие температуры, необходимые для объяснения нехватки калия, цинка и натрия на Луне, а также возможность большого количества смешивания между протоземлей и материалом, который станет луной.
Но когда произошло это воздействие?
Ученые считают, что Луна образовалась во время гигантского столкновения примерно через 60-175 миллионов лет после рождения Солнечной системы. Чтобы получить эту оценку, они могут использовать камни с Земли.
По мере роста больших планетезималей тепло, выделяющееся при повторяющихся ударах и радиоактивном распаде элементов внутри их минералов — достаточно, чтобы вызвать плавление. Это позволяет материалам с разной плотностью разделяться, при этом такие металлы, как железо и никель, погружаются внутрь, образуя ядро, а более легкие камни «плавают» сверху.
Ко времени удара, образовавшего Луну, Земля уже была разделена на эти слои камня и металла. Однако мощная сила и высокая температура удара вновь расплавили протоземлю, повторно смешав разделенные горные породы и металл. После этого смешения Земля была еще достаточно горячей, чтобы снова произошло разделение и образовались новые слои породы и металла — это ключ к датировке образования Луны!
Когда рок и металл смешиваются, они могут поменять местами некоторые элементы.
Такие элементы, как гафний, предпочитают смешивать с камнем, а не с металлом. Гафний распадается примерно за 10 миллионов лет, образуя вольфрам. Впервые Земля остыла и разделилась на горные породы и слои металла в начале истории Солнечной системы, поэтому в каменистом слое Земли присутствовало много гафния, потому что он еще не успел распасться до вольфрама. К тому времени, когда произошло столкновение с формированием Луны, большая часть этого раннего гафния распалась до вольфрама. Такие элементы, как вольфрам, предпочитают смешивать с металлом, поэтому, когда удар снова смешал Землю, новообразованный вольфрам погрузился в металлическое ядро. Это создало каменистый внешний слой с более низкой концентрацией гафния, чем раньше, и металлическое ядро с гораздо большим количеством вольфрама.
Сегодня весь гафний исчез, потому что у него короткий период полураспада по сравнению с возрастом Земли. Однако не все потеряно — это делает его очень полезным для определения времени событий в первые сто миллионов лет истории Солнечной системы.
Концентрация вольфрама в земных породах зависит от того, когда произошло самое последнее разделение на слои породы и металла. Концентрация вольфрама в земных породах слишком мала, чтобы ее можно было объяснить ранним разделением металла и породы, что означает, что что-то должно было повторно смешать слои Земли. Лучшим объяснением тепла и энергии, необходимых для этого, является гигантское столкновение примерно через 60-175 миллионов лет после рождения Солнечной системы.
После удара, образовавшего Луну, Земля сильно отличалась от мира, который мы видим сегодня! В то время как современная Земля имеет океаны, покрывающие большую часть ее поверхности, ранняя Земля была покрыта океаном магмы — слоем расплавленной породы глубиной в сотни миль, расплавленной энергией, выделившейся во время столкновения. Любая присутствующая вода будет существовать только в виде водяного пара в атмосфере.
Если этого было недостаточно, раннее солнце также было гораздо более активным, чем сегодня, обрушивая всю солнечную систему УФ-излучением, достаточно мощным, чтобы испарить целые атмосферы.
Со временем, после того как магматический океан достаточно остыл, чтобы образовать твердую поверхность, атмосфера Земли пополнялась за счет вулканических извержений, а также воды и других газов, доставляемых кометами и метеоритами, врезавшимися в поверхность.
Это также был первый шаг к развитию тектоники плит на нашей планете. Тектоника плит описывает гигантские «плиты» земной коры, которые медленно перемещаются по поверхности Земли на протяжении сотен миллионов лет; он не только производит новые породы в вулканах, где плиты раздвигаются, но также может перерабатывать камни с поверхности Земли и атмосферы обратно внутрь, где плиты сходятся. Этот процесс, известный как «субдукция», переносит камни, воду и углекислый газ, захваченные минералами, обратно в недра Земли, где они могут вызывать будущие извержения вулканов, продолжая тектонический цикл плит.
Некоторые планетологи считают, что тектоника плит необходима для развития жизни на планете. Это связано с тем, что повторяющееся образование и разрушение земной коры в результате тектоники плит одновременно высвобождает углекислый газ в атмосферу и удаляет его, помогая поддерживать одинаковые температуры на Земле (и комфортные для микробов, рыб и людей!) на протяжении миллиардов лет.
Наличие у планеты тектоники плит гораздо сложнее, чем просто наличие твердой поверхности, и может также зависеть от типов и количества различных астероидов, планетезималей и протопланет, из которых состоит Земля, из-за того, что различные химические вещества и полезные ископаемые могут изменить поведение недр планеты на протяжении миллиардов лет.
Как выглядела ранняя луна? Большинство из нас представляет себе Луну как безлюдное, серое место с кратерами и ничем другим, но на протяжении большей части своей истории она была удивительно геологически активной.
Как и Земля, Луна началась с толстого слоя расплавленной породы на ее поверхности.
Однако, в отличие от Земли, поверхность Луны не охлаждалась, образуя тектонические плиты. Вместо этого у него толстая корка, почти полностью состоящая из светлого минерала, называемого полевым шпатом. Полевой шпат является основным материалом, из которого состоят яркие области, которые мы можем видеть на Луне сегодня, также известные как лунные нагорья. Полевой шпат кристаллизовался, когда океан магмы остыл, и стал достаточно легким, чтобы всплыть на поверхность Луны поверх других минералов и оставшейся магмы. (Планетарные ученые могут использовать тот факт, что эта корка из полевого шпата образовалась на Луне, а не на Земле, чтобы попытаться определить различия в раннем химическом составе и условиях охлаждения между двумя объектами, чтобы узнать больше об образовании Луны.)
Однако образование корки из полевого шпата не ознаменовало конец геологической активности на Луне. Тепло, оставшееся от удара, а также дополнительное тепло, выделенное радиоактивными элементами, было способно расплавить горную породу глубоко в полдень, чтобы подпитывать вулканы на ее поверхности.
В результате таяния образовался базальт, порода темного цвета, обычно встречающаяся сегодня в вулканах на Земле в таких местах, как Гавайи и Исландия. Базальт разлился на сотни километров по поверхности Луны, образовав «кобылу» (что означает «моря» на латыни) толщиной до мили. Эти кобылы покрывают около 16% поверхности Луны и видны невооруженным глазом как темные пятна на Луне.
Ученые-планетологи могут сказать, что базальтовые кобылы моложе, чем полевошпатовые нагорья, по количеству кратеров на различных поверхностях. У кобылы меньше кратеров на верхней поверхности, чем у высокогорья, потому что у них было меньше времени, чтобы пострадать от астероидов и метеоритов. Считается, что самой молодой кобыле всего 1,1 миллиарда лет, а это означает, что вулканы на Луне все еще извергались через два миллиарда лет после появления первых признанных свидетельств жизни на Земле!
Еще одной особенностью ранней Луны была ее орбита. Сегодня Луна удаляется от Земли примерно на 1,5 дюйма каждый год.
Ученые-планетологи рассчитали расстояние между Землей и Луной в обратном направлении во времени и обнаружили, что Луна была в семнадцать раз ближе (14 000 миль против 250 000 миль), когда формировалась.
Это изменяющееся расстояние между Землей и Луной является важной подсказкой о деталях столкновения, формирующего Луну, потому что изменение размера, скорости и углов сближения ударных элементов в симуляциях формирования Луны меняет орбиту окончательной системы Земля-Луна. Планетологам необходимо найти моделирование столкновения, которое могло бы соответствовать не только химическому составу Луны, но и тому, насколько далеко она находилась от Земли и как быстро она вращалась изначально.
Какие вопросы остались? Хотя ученые согласны с тем, что Луна образовалась в результате удара, детали удара все еще обсуждаются. Ученые до сих пор не пришли к единому мнению о том, насколько велик был столкнувшийся объект, как быстро он двигался, из чего он был сделан и даже следует ли нам называть его «Тейя».
Некоторые ученые даже утверждают, что Луна могла быть сформирована несколькими столкновениями, а не одним!
помогают ученым лучше понять, что происходит с различными типами горных пород и элементами в экстремальных условиях крупных ударов. Исследовательская группа профессора Николаса Дофаса из Калифорнийского университета в Чикаго испаряет металлы в вакууме, чтобы смоделировать условия, присутствующие в облаке ударных обломков, чтобы попытаться объяснить, почему в лунных породах гораздо меньше таких элементов, как натрий, цинк и калий, по сравнению с Землей.
Однако некоторые эксперименты могут быть слишком масштабными для лаборатории, поэтому для исследования влияния формирования Луны также используется компьютерное моделирование. Эти симуляции позволяют ученым виртуально сталкивать прото-Землю и различные типы планетезималей на разных скоростях и под разными углами, чтобы выяснить, какие комбинации свойств могут сформировать луну с такими размерами и орбитой, которые мы видим сегодня.