Астрономія
Астрономія

Ранній Місяць виявився бідним на воду ще до гігантського зіткнення

Американські геологи спростували причетність ударної події, яка утворила Місяць, до втрати супутником води. Аналіз ізотопів рубідію і стронцію вказав, що гігантське зіткнення сталося на пізніших етапах історії Сонячної системи, приблизно 4,45 мільярда років тому, а Місяць на 90 відсотків сформувався з матеріалу Тейі, яка зіткнулася з протоземлею. І саме Тейя могла бути бідною на леткі речовини, а тому і Місяцю вони дісталися в обмеженій кількості. Причому з огляду на співвідношення кількості ізотопів рубідію і стронцію, протоземля і Тейя утворилися поруч одна з одною у внутрішній частині Сонячної системи, що також пояснить і подібність ізотопів на Землі та Місяці. Дослідження опубліковане у Proceedings of the National Academy of Sciences.

Rice University

Rice University

Звідки взявся Місяць?

Найпоширенішою гіпотезою формування Місяця є ударний сценарій, за якого протоземля зіткнулася з подібним до Марса тілом, Тейєю. Внаслідок цього на нашу орбіту потрапив великий фрагмент матеріалу, який відтак завдяки акреції сформувався у супутник. Доказами на користь цієї теорії стали привезені місіями «Аполлон» зразки місячного ґрунту. Тим не менш, формування Місяця в результаті такого сценарію зіткнення порушує питання про склад протоземлі і Тейї та їхній внесок у подальшу еволюцію системи Земля-Місяць. І особливо вченим цікаво, як і коли Місяць та Земля отримали свої нинішні запаси летких речовин, у тому числі й воду. Чи змінилася їхня кількість внаслідок зіткнення чи тіла вже на початку формувалися у такому вигляді.

Походження летких речовин, таких як вода, в системі Земля-Місяць, є предметом інтенсивних суперечок і один зі способів накласти обмеження на часову еволюцію їхнього вмісту — аналіз вмісту ізотопів рубідію і стронцію. Це й використали у своїй роботі дослідники Ліверморської національної лабораторії імені Лоуренса, щоб встановити часові обмеження на історію та розподіл летких речовин у системі Земля-Місяць.

Удар Землі з Тейєю з урахуванням обертання. Sergio Ruiz-Bonilla

Удар Землі з Тейєю з урахуванням обертання. Sergio Ruiz-Bonilla

Як допоможуть ізотопи?

З кінця 1960-х років у дослідженнях місячної хронології широкого поширення набуло рубідієво-стронцієве датування, яке дає змогу визначати вік гірських порід і мінералів за вмістом ізотопів рубідію-87, стронцію-87 і стронцію-86. Перевагою такого підходу є те, що стабільний ізотоп стронцію-87 є продуктом розпаду рубідію-87, період напіврозпаду якого оцінюють у 49,4 мільярда років. А стронцій-86 не бере участі в ланцюжках розпадів і кількість його атомів не змінюється. Тому з часом концентрація рубідію-87 зменшується, а концентрація стронцію-87, навпаки, збільшується.

Визначення співвідношення дасть змогу визначити джерело утворення матеріалу. А оскільки рубідій вважається помірно летким елементом і набагато менш тугоплавким, ніж стронцій, співвідношення рубідію-87 до стронцію-86 послужить загальним показником не тільки вмісту летких елементів до відносно тугоплавких, але й вкаже на температуру конденсації матеріалів, з яких утворилося тіло.

Для дослідження вчені мали обрати підхожі зразки. Річ у тім, що відносно молоді базальтові породи могли пережити всього від 0,15 до 1,5 мільярда років ізотопної еволюції рубідію та стронцію в інтервалі між затвердінням магми та кристалізації базальту на поверхні. Тому набагато більш корисними є давні породи, які утворилися до або одночасно з етапом затвердіння місячного магматичного океану. Так, якщо ці матеріали не переживали нових зіткнень, можна оцінити вміст рубідію у матеріалі, який утворив Місяць як такий. За такими параметрами дослідники обрали зразки, вік кристалізації яких оцінюють від 4,30 до 4,35 мільярда років.

Поєднавши аналіз зразків порід з даними про еволюцію ізотопів рубідію і стронцію, вчені змогли обмежити кількість летких речовин, які можна було б знайти на тілах-попередниках, що взяли участь у формуванні системи Земля-Місяць, сиріч, на протоземлі і Тейї. А відтак представили кілька можливих сценаріїв утворення нашого супутника.

Звідки взявся Місяць?

Згідно з аналізом, наприклад, якщо Тейя і протоземля мали співвідношення рубідію-87 до стронцію-86, близьке до такого у хондритових метеоритів та на сучасній Землі, а потім змішалися, утворивши Місяць приблизно 4,36 мільярда років тому, то сьогодні і на супутнику це співвідношення мало б бути вищим, ніж можна оцінити за породами зараз. Але якщо і Тейя, і протоземля еволюціонували з початковим вмістом цих елементів подібно тому, як можна побачити на сучасному Місяці, то ізотопний аналіз збігається з даними від давніх місячних порід.

Крім того, сценарії, в яких Тейя і протоземля мали підвищені відношення рубідію-87 до стронцію-86, які згодом зменшилися під час втрати летких елементів після гігантського зіткнення, не підходять, оскільки навіть кілька мільйонів років розпаду рубідію-87 у резервуарах, збагачених леткими елементами, могли б створити достатню кількість стронцію-87, щоб перевищити початкові співвідношення стронцію-87 до стронцію-86 в місячних зразках. Це вказує на те, що Місяць і протоземля повинні були сформуватися з матеріалів вже дуже бідних на леткі речовини незабаром після утворення Сонячної системи.

Втім, це не вимагає, щоб і Тейя, і протоземля були однаково виснажені леткими елементами: можливо, що одне тіло-попередник могло бути трохи менш збідненим леткими елементами за умови, що інше тіло було сильно збіднене ними і внесло основну частину матеріалу, з якого утворився Місяць. Таким чином, якщо Місяць просто успадкував свій низький рівень рубідію-87 від Тейї, протоземля могла мати пропорційно вищий рівень цих ізотопів, що збігається з розбіжностями у вмісті їх на Землі порівняно з Місяцем.

Таким чином, моделюючи дані, вчені розглянули модель, за якої Тейя взагалі не мала рубідію-87 і стронцію-86, і при цьому на 90 відсотків стала творцем Місяця. Навіть у такому нереалістичному сценарії, розрахункове значення цих елементів для протоземлі значно нижче за оцінки такого для хондритових метеоритів, підтверджуючи, що і Тейя, і протоземля були дуже збіднені леткими елементами.

Якщо ж наблизити передбачуване значення цього параметра на Тейї до найбідніших у Сонячній системі на леткі елементи ангідритових, тобто бідних на воду, метеоритів, то або на протоземлі мало бути менше рубідію-87 і стронцію-86, ніж на Землі сьогодні, або гігантське зіткнення сталося не раніше, ніж 4,43 мільярда років тому. Причому якби Місяць складався хоча б на 20 відсотків більше із матеріалу протоземлі, ніж із Тейї, то співвідношення летких речовин на протоземлі мало б бути ще меншим.

Таким чином дослідники дійшли висновку, хоч це і ставить під сумнів теорії про виснаження Місяця леткими речовинами під час гігантського зіткнення, що воно сталося не пізніше 4,45 мільярда років тому, а Місяць утворений на 90 відсотків з матеріалу дуже бідної на леткі речовини Тейї. Це узгоджується з градієнтом летких елементів, що спостерігається в матеріалах Сонячної системи, пояснює різницю в частці летких елементів на Місяці та Землі та пояснює схожість ізотопів у системі Земля-Місяць.

Графік розподілу ізотопів рубідію-87 і стронцію-86 та вміст води у примітивних метеоритах. Зеленим колом позначена Земля, червоним  —  Марс, а сірим з літерою «М»  —  Місяць. Lars E. Borg et al. / PNAS, 2022

Графік розподілу ізотопів рубідію-87 і стронцію-86 та вміст води у примітивних метеоритах. Зеленим колом позначена Земля, червоним — Марс, а сірим з літерою «М» — Місяць. Lars E. Borg et al. / PNAS, 2022

Звідки тоді леткі речовини на Землі?

Описаний сценарій, за якого і Земля, і Тейя були бідними на леткі речовини, накладає обмеження на місце їхнього народження та на джерело цих речовин на сучасній Землі. Так, наприклад, якщо Тейя склала 90 відсотків Місяця, при цьому мала співвідношення рубідію-87 до стронцію-86 у 0,005, а гігантське зіткнення сталося 4,49 мільярда років тому, то протоземля не мала б і 17 відсотків сучасної кількості рубідію. Так приблизно 86 відсотків летких речовин мали з'явитися вже після зіткнення, що не збігається із вмістом високосидерофільних елементів у земних породах.

За розрахунками, після гігантського зіткнення, Земля могла набути не більше 0,5 відсотка їхнього вмісту від своєї маси. А якщо і у Тейі, і у протоземлі були низькі концентрації рубідію-87 і стронцію-86, то вони мали утворитися поруч у внутрішній частині Сонячної системи, що може пояснити і схожий ізотопний склад Місяця і Землі. Низкий рівень аналізованих ізотопів, необхідний згідно з новим сценарієм для протоземлі і Тейі, з якою та зіткнулася, передбачає, що вони обидві були біднішими на воду за примітивні метеорити. Це своєю чергою передбачає, що Земля сформувалася з такою самою кількістю води, яку ми можемо спостерігати сьогодні.

Також ми розповідали, як вченим за симуляцією зіткнення Землі з Тейєю вдалося оцінити кількість викинутого матеріалу, який сформував Місяць. А моделювання магнітного поля нашого супутника показало, що пов’язані між собою магнітосфери Землі та Місяця захистили ранні атмосфери тіл.


Фото в анонсі: Rice University