Китайские астрономы обновили геохронологическую модель Луны на основе датирования образцов лунного грунта, доставленного на Землю зондом «Чанъэ-5».
В конце 2020 года возвращаемый модуль китайской лунной космической станции Чанъэ-5 доставил на Землю около двух килограммов лунного грунта — впервые после серии полётов «Аполлонов» и станций «Луна» в конце 1960-х — первой половине 1970-х годов. Радиометрический анализ позволил установить возраст этих лунных базальтов — они оказались значительно моложе, чем образцы, доставленные «Аполлонами». Эти датировки дали дополнительные опорные точки для уточнения геохронологической модели Луны, то есть алгоритма, позволяющего экстраполировать имеющиеся данные по лунным породам и с удовлетворительной точностью оценить возраст участков Луны, откуда образцов ещё нет.
Предыдущие модели лунной геохронологии опирались на радиометрический возраст лунных образцов, собранных «Аполлонами» и советскими станциями «Луна» в сочетании с данными по плотности распределения ударных кратеров в разных регионах на лунной поверхности. Однако в массиве датировок лунного грунта не хватало образцов, попадающих в интервал возрастов моложе трёх и старше одного миллиарда лет, то есть почти половины геологической истории Луны.
Поэтому одной из задач космического проекта Чанъэ-5 была не просто доставка с Луны новых образцов грунта, а отбор проб в одной из точек, где была надежда раздобыть более молодые (то есть в районе пары миллиардов лет) образцы пород. В декабре 2020 года китайский посадочный модуль прилунился в Океане Бурь в северном лунном полушарии, недалеко от известных структур под названием гор Рюмкера и кратера Шарп. Очевидно, место посадки выбиралось не случайно, и у астрономов были основания ожидать там наличия пород нужного возраста — прежде всего, по данным о плотности кратеров и исходя из сводной геологической карты Луны, составленной по всему массиву имеющихся данных.
На сегодня почти единственным способом определения возраста геологических структур на небесном теле является подсчёт плотности метеоритных кратеров. Чем кратеров больше, тем старше участок поверхности. Так проводилось первичное районирование Марса, при котором на его поверхности грубо выделили три геологических региона, сильно различающихся по плотности ударных кратеров. Они соответствуют трём марсианским эрам — нойской, гесперийской и амазонской (подробнее об этом см. во вставке к этой статье, а также в других связанных материалах о Марсе).
На Земле этот способ не работает, поскольку земные структуры, включая и воронки от ударов метеоритов, быстро подвергаются эрозии из-за экзогенных процессов (влияние атмосферы и воды) и геологической активности (вулканы, дрейф континентов, горообразование и т. д). Но на Земле у геологов есть множество иных методов определения абсолютного и относительного геологического возраста, включая ископаемые организмы и возможности отбора проб почти везде, где необходимо.
Что касается Луны, то кроме данных по плотности кратеров в распоряжении астрономов есть образцы лунных пород, доставленных космическими аппаратами. Методами радиометрии определяют их абсолютный возраст. Если эти данные сопоставить с плотностью метеоритных кратеров в районах их отбора, можно получить несколько точек калибровки для геохронологической кривой, то есть увязать плотность лунных кратеров с возрастом структур в этом районе. А дополнив данные по числу кратеров другими сведениями, в частности, определив взаимное расположение структур (молодые поверх старых) в соответствии с методами «земной» стратиграфии, можно выполнить более точное районирование и выделить на Луне участки различных геологических эпох с разными структурными элементами («морями», «возвышенностями» и пр). В 2020 году массив сведений о лунных структурах удалось свести в первую общую геологическую карту лунной поверхности. Подробнее про пять геологических эр и геохронологию Луны можно узнать в отдельной большой статье. Место посадки Чанъэ-5 согласно лунному геологическому делению как раз относится к эратосфенскому геологическому периоду — следующему по возрасту после самого молодого коперниковского, и предполагаемый возраст его пород должен быть старше одного, но моложе трёх миллиардов лет. Отметим, что данные лунной орбитальной станции Чанъэ-5 в сочетании с системой искусственного интеллекта также использовались для подсчёта и идентификации новых кратеров на Луне, позволив обнаружить несколько десятков тысяч новых кратеров — об этом можно дополнительно почитать в статье по ссылке.
Одной из популярных моделей лунной геохронологии стала модель Нойкума (Neukum, 1983). Фактически это — семейство подгоночных кривых, описывающих зависимость плотности кратеров N на некотором участке поверхности Луны в определённом диапазоне размеров d от возраста участка t: N(d, t). Пример кривой из оригинальной работы 1983 года с доступными на тот момент данными приведён на рисунке. Для разных диаметров кратеров такие кривые выглядят по-разному. Часто астрономы упрощают себе жизнь: они рассматривают кумулятивную кривую N(1,t) для количества кратеров только с размерами более 1 километра. Как видно, на «лунной» кривой чётко выделяются две области. Древние участки коры с возрастом 3—4 миллиарда лет застали эпоху интенсивной метеоритной бомбардировки в первые пару миллиардов лет жизни Солнечной системы — на этом участке подгоночная кривая имеет вид экспоненты. С другой стороны, кривая ведёт себя по-другому на сравнительно молодых структурах (1—2 миллиарда лет и до современности). В этот период интенсивность потока метеоритов была низкой, и соответствующий участок кривой имеет линейную зависимость от времени. Модель астронома Герхарда Нойкума, введённая в его диссертации 1983 года, предлагает простую интерполяционную формулу зависимости N(t) с двумя слагаемыми — экспоненциальным и линейным. Коэффициенты формулы калибруются по данным о возрасте доставленных «Аполлонами» и «Лунами» образцов. Как видно из рисунка из оригинальной работы Нойкума, калибровочные данные на момент разработки исходного варианта модели были только для очень старых (3-4 млрд) и очень молодых (менее 1 млрд лет) участков, и провал данных посредине как раз ожидал своего заполнения. Подобные зависимости адаптируют и для других небесных тел, например, для Марса, Меркурия и крупных астероидов, но в этих случаях калибровка по возрасту выполняется из теоретических соображений и даже экстраполяцией данных по Луне, поскольку датированных образцов с этих тел у нас пока что нет. Кроме кривых Нойкума, в ходу и другие подобные модели (Хартманна, Робинса и др. — самых популярных у астрофизиков на сегодня около полудесятка). О современном состоянии этого раздела планетарной геохронологии можно получить представление в свободно доступной обзорной статье 2016 года в Journal of Geophysical Research: Planets.
Спускаемый аппарат Чанъэ 17 декабря 2020 года доставил на Землю 1731 грамм лунных пород — впервые с 1976 года, когда последнюю партию лунного грунта привезла станция «Луна-24». Вся экспедиция с момента старта корабля до возвращения контейнера заняла 23 дня. Подробнее об операции возвращения капсулы с лунными образцами на Землю см. отдельную заметку. Китайские геохимики определили радиометрический возраст образцов, доставленных на Землю зондом Чанъэ-5. Возраст этой порции лунных пород действительно оказался приблизительно равным двум миллиардам лет — то есть породы как раз закрывают это «белое пятно» 3—1 млрд лет, по которому у астрономов никаких данных не было. Это дало ещё одну опорную точку, которая позволила уточнить общую геохронологическую модель Луны. Результаты этих исследований опубликованы в середине февраля 2022 года в Nature Astronomy.
Станция Чанъэ-5 после сброса на Землю контейнера с лунными образцами продолжает научную деятельность в космосе. С марта 2021 года она переместилась на орбиту возле точки Лагранжа L1 системы Земля — Солнце, то есть на расстоянии 1,5 миллиона километров от Земли в сторону Солнца и продолжает исследования, изучая солнечную активность.
