Как Луна вывернулась наизнанку

Около 4,5 миллиардов лет назад в молодую Землю врезалась небольшая планета, и в космос попала масса расплавленных обломков твёрдых пород. Обломки постепенно спекались, охлаждались и затвердевали, образуя Луну.

У большинства учёных такая картина возникновения ночного светила, в общем, не вызывает споров, но её детали «похожи на приключенческий роман, сюжет которого может меняться в зависимости от выбора читателя», отмечают исследователи из Лунной и планетарной лаборатории (ЛПЛ) Университета Аризоны (University of Arizona), рассказавшие о проделанной ими работе в журнале «Nature Geoscience». В результате этого исследования получена важная информация об эволюции недр Луны и, возможно, таких планет, как Земля или Марс.

Наши знания о происхождении Луны опираются, главным образом, на анализ образцов твёрдых пород, собранных более 50 лет назад астронавтами «Аполлона», и теоретические модели. В доставленных с Луны образцах базальтовых лавовых пород выявлена удивительно высокая концентрация титана. Позже благодаря спутниковым наблюдениям удалось установить, что эти богатые титаном вулканические породы расположены, в основном, на ближней стороне Луны, но как и почему они попали туда, осталось невыясненным — до последнего времени.

Поскольку Луна сформировалась быстро и жарко, она, вероятно, была полностью покрыта океаном магмы. Расплавленная порода, постепенно остывая и затвердевая, сформировала лунную мантию и яркую кору, которую мы видим, глядя в ночное время на полную луну. Однако недра в глубине молодой Луны оставались совершенно неустойчивыми. Как говорят модели, океан магмы кристаллизовался на лунной поверхности в слой плотных минералов, включая ильменит, содержащий титан и железо.

«Из-за того, что образовавшийся на поверхности Луны слой тяжёлых минералов оказался плотнее мантии, появилась гравитационная нестабильность, создавшая предпосылки для проседания плотного поверхностного слоя», — говорит руководитель исследования Вейган Лян (Weigang Liang), работавший в ЛПЛ над докторской диссертацией.

В последующие тысячелетия этот плотный слой каким-то образом действительно просел, смешался с мантией, расплавился и вернулся наверх потоками богатой титаном лавы. Сегодня мы видим её застывшей.

«Луна буквально вывернулась наизнанку, — говорит соавтор и доцент ЛПЛ Джефф Эндрюс-Ханна (Jeff Andrews-Hanna). — Но физикам не хватает фактов для точной реконструкции событий, происходивших в тот критически важный период лунной истории, вследствие чего попытки детализации этих событий вызывают массу разногласий — без всяких преувеличений».

После того как Луна затвердела, затонул ли формировавшийся плотный слой постепенно или сразу? Он полностью погрузился в недра, а затем поднялся на ближней стороне Луны, или мигрировал на ближнюю сторону и лишь затем затонул? Как он затонул: в одной огромной капле или в нескольких каплях поменьше?

«При дефиците научных фактов вы можете выбрать ту модель, которая вам по душе. Каждая модель объясняет геологическую эволюцию Луны по-своему», — отмечает соавтор статьи в «Nature Geoscience» Адриен Броке из берлинского Немецкого аэрокосмического центра (German Aerospace Center), работавший в ЛПЛ в качестве научного сотрудника-постдока.

В ходе предыдущего исследования, проведённого под руководством ещё одного соавтора указанной статьи Нана Чжана (Nan Zhang) из Пекинского университета (Peking University), Пекин, было показано на модели, что богатый титаном плотный слой под корой сначала мигрировал на ближнюю сторону Луны, возможно, под воздействием мощного импульса, возникшего на обратной стороне, а затем опустился в мантию в виде системы пластинчатых плит, вызывающей ассоциацию с водопадами, ибо плиты ушли в лунные недра уступами. Но, затонув, этот материал оставил после себя небольшой след — геометрический узор из пересекающихся линий, которые «начертил» под корой плотный, насыщенный титаном материал.

«Когда мы увидели эти результаты моделирования, как будто вспыхнула лампочка, — говорит Эндрюс-Ханна, — потому что точно такую же картину даёт анализ тонких вариаций в гравитационном поле Луны, позволяющий обнаружить под корой сеть плотного материала».

В ходе нового исследования авторы статьи сравнили модель погружения богатого ильменитом слоя с набором линейных гравитационных аномалий, обнаруженных миссией НАСА GRAIL. С 2011 по 2012 год два космических аппарата миссии GRAIL, вращаясь вокруг Луны, измеряли крошечные вариации лунного притяжения. Эти линейные аномалии окружают обширные тёмные области на ближней стороне Луны, покрытые застывшими вулканическими потоками и известные как лунные моря.

Как обнаружили авторы статьи, данные о лунной гравитации, добытые в ходе миссии GRAIL, согласуются с данными, полученными на модели ильменитового слоя, и гравитационное поле можно использовать для картирования распределения следов ильменита, оставшихся наверху после погружения большей части плотного слоя.

«Согласно нашему анализу, модели и факты замечательно дружно рисуют одну и ту же картину, — отмечает Лян. — Ильменитовые материалы мигрировали на ближнюю сторону и погружались в лунные недра в виде пластинчатых каскадов, оставляя после себя следы, вызывающие аномалии в гравитационном поле Луны, о которых поведала миссия GRAIL».

Кроме того, команде исследователей удалось уточнить период времени, соответствующий данному событию: линейные гравитационные аномалии прерываются крупнейшими и старейшими ударными бассейнами на ближней стороне Луны и, следовательно, должны были появиться раньше. Основываясь на этих взаимосвязях, авторы утверждают, что богатый ильменитом слой затонул ранее, чем 4,22 миллиарда лет назад, что согласуется с его участием в более поздних вулканических процессах, следы которых наблюдаются на лунной поверхности.

«Анализ этих вариаций лунной гравитации позволил нам заглянуть под поверхность Луны и выяснить, что там имеется», — говорит Броке, который, работая с Ляном, стремился показать, что аномалии в гравитационном поле Луны соответствуют предсказанным компьютерными моделями лунного переворота особенностям зон, содержащих плотный, богатый титаном материал.

Перекошенная Луна

Если аномалии лунной гравитации подтверждают погружение плотного слоя в недра Луны и позволяют точнее установить, как и когда произошло данное событие, то лунная поверхность, утверждают исследователи, делает эту историю ещё более интригующей.

«Луна во всех отношениях существенно кривобока», — заявляет Эндрюс-Ханна и приводит доказательства в пользу этого заявления. В отличие от дальней стороны, ближняя сторона ночного светила и особенно её тёмная область, известная как Океан Бурь (Oceanus Procellarum), является более вогнутой, имеет более тонкую кору, по большей части покрыта застывшей лавой и богата редкими элементами, такими как титан и торий. Учёные, в основном, солидарны в том, что переворот в лунной мантии каким-то образом связан с уникальной структурой и историей Океана Бурь, но детали этого переворота вызывают серьёзные споры.

«Наша работа сводит воедино геофизические данные о внутренней структуре Луны и результаты компьютерного моделирования её эволюции», — добавляет Лян.

«Мы впервые получили физические подтверждения нашей гипотезы о событиях, происходивших в недрах Луны на критическом этапе её эволюции, и это восхитительно, — говорит Эндрюс-Ханна. — Оказалось, что самая ранняя история Луны записана прямо под её поверхностью, а чтобы прочитать эту историю, надо всего лишь правильно связать результаты моделирования и фактические данные».

«Следы ранней лунной эволюции по сей день представлены под корой, и это завораживает, — говорит Броке. — Будущие миссии, например, те, что будут использовать сейсмическую сеть, позволят лучше изучить геометрию данных структур».

«Когда астронавты «Артемиды» высадятся на Луну, чтобы начать новую эру космических исследований, у нас будет совсем другое знание о нашем соседе по сравнению с тем, какое было во время первого посещения Луны астронавтами «Аполлона»», — добавляет Лян.