Гипотеза столкновения гиганта

редактировать
Теория образования Луны Художественное изображение столкновения двух планетных тел. Такое столкновение между Землей и объектом размером с Марс, вероятно, сформировало Луну.

Гипотеза гигантского удара, иногда называемая Большой Всплеск, или Theia Impact предполагает, что Луна образовалась в результате столкновения между протоземлей и планетезималью размером Марс, примерно 4,5 миллиарда лет назад., в эоне Хадей (примерно через 20–100 миллионов лет после слияния Солнечной системы ). Столкнувшееся тело иногда называют Тейей, по имени мифического греческого титана, который был матерью Селены, богини Луны. Анализ лунных горных пород, опубликованный в отчете за 2016 год, предполагает, что удар мог быть прямым ударом, вызвавшим полное смешение обоих родительских тел.

Гипотеза гигантского удара в настоящее время является предпочтительной научной гипотеза о образовании Луны. Подтверждающие доказательства включают:

  • вращение Земли и орбита Луны имеют одинаковую ориентацию.
  • Образцы Луны показывают, что поверхность Луны когда-то была расплавленной.
  • У Луны относительно небольшое железное ядро ​​.
  • Луна имеет более низкую плотность, чем Земля.
  • Существуют свидетельства аналогичных столкновений в других звездных системах, в результате дисков обломков.
  • Столкновения гигантов согласуются с ведущими теориями формирование Солнечной системы.
  • Соотношения стабильных изотопов в лунных и земных породах идентичны, что предполагает общее происхождение.

Однако остается несколько вопросов, касающихся лучших современных моделей гипотезы гигантского удара. Согласно прогнозам, энергия такого гигантского удара нагреет Землю, чтобы произвести глобальный магматический океан, и были задокументированы доказательства результирующей планетарной дифференциации более тяжелого материала, погружающегося в мантию Земли.. Однако не существует самосогласованной модели, которая начиналась бы со столкновения с гигантом и отслеживала бы эволюцию обломков в единую луну. Другие оставшиеся вопросы включают в себя: когда Луна потеряла свою долю летучих элементов и почему Венера, которая испытала гигантские удары во время своего формирования, не имеет подобной луны.

Содержание

  • 1 История
  • 2 Theia
  • 3 Базовая модель
  • 4 Состав
    • 4.1 Гипотеза равновесия
    • 4.2 Гипотеза прямого столкновения
    • 4.3 Гипотеза синестии
    • 4.4 Земная магма Гипотеза океана
  • 5 Доказательства
  • 6 Трудности
    • 6.1 Состав
    • 6.2 Отсутствие луны Венеры
  • 7 Возможное происхождение Тейи
  • 8 Альтернативные гипотезы
  • 9 См. также
  • 10 Ссылки
    • 10.1 Примечания
    • 10.2 Дополнительная литература
  • 11 Внешние ссылки

История

В 1898 году Джордж Дарвин высказал предположение, что Земля и Луна когда-то были одно тело. Гипотеза Дарвина заключалась в том, что расплавленная Луна была вращена от Земли из-за центробежных сил, и это стало доминирующим академическим объяснением. Используя ньютоновскую механику, он подсчитал, что в прошлом Луна вращалась гораздо ближе по орбите и отдалялась от Земли. Этот дрейф был позже подтвержден американскими и советскими экспериментами с использованием лазерных локационных целей, размещенных на Луне.

Тем не менее, расчеты Дарвина не могли разрешить механику, необходимую для прослеживания Луны назад к поверхности Земли. В 1946 году Реджинальд Олдворт Дейли из Гарвардского университета оспорил объяснение Дарвина, скорректировав его так, чтобы постулировать, что создание Луны было вызвано ударами, а не центробежными силами. Мало внимания уделялось проблеме профессора Дейли до конференции по спутникам в 1974 г., во время которой эта идея была повторно представлена, а затем опубликована и обсуждена в Икар в 1975 г. Уильям К. Хартманн и Дональд Р. Дэвис. Их модели предполагали, что в конце периода формирования планет сформировалось несколько тел размером со спутник, которые могли столкнуться с планетами или быть захваченными. Они предположили, что один из этих объектов мог столкнуться с Землей, выбрасывая тугоплавкую, бедную летучими веществами пыль, которая могла объединиться, образуя Луну. Это столкновение могло потенциально объяснить уникальные геологические и геохимические свойства Луны.

Аналогичный подход был использован канадским астрономом Аластером Кэмероном и американским астрономом Уильямом Р. Уордом, который предположил, что Луна образовалась в результате тангенциального удара по Земле тела размером с Марс. Предполагается, что большая часть внешних силикатов сталкивающегося тела испарится, а металлическое ядро ​​- нет. Следовательно, большая часть столкновительного материала, отправленного на орбиту, будет состоять из силикатов, в результате чего сливающаяся Луна будет испытывать дефицит железа. Более летучие материалы, которые были выброшены во время столкновения, вероятно, вырвутся из Солнечной системы, тогда как силикаты будут иметь тенденцию к слиянию.

Theia

Название гипотезы протопланета происходит от мифического греческого титана Тейя, который породил богиню Луны Селена. Это обозначение было первоначально предложено английским геохимиком Алексом Н. Холлидеем в 2000 году и стало общепринятым в научном сообществе. Согласно современным теориям образования планет, Тейя была частью популяции тел размером с Марс, существовавших в Солнечной системе 4,5 миллиарда лет назад. Одна из привлекательных черт гипотезы гигантского удара состоит в том, что формирование Луны и Земли совмещено; Считается, что в ходе своего формирования Земля испытала десятки столкновений с телами размером с планету. Столкновение с формированием Луны было бы только одним из таких «гигантских столкновений», но, безусловно, последним значительным ударным событием. Поздняя тяжелая бомбардировка астероидами гораздо меньшего размера произошла позже - примерно 3,9 миллиарда лет назад.

Базовая модель

Упрощенное представление гипотезы гигантского удара.

Астрономы считают, что столкновение между Землей и Тейей произошло примерно в 4,4–4,45 bya ; примерно через 0,1 миллиарда лет после начала формирования Солнечной системы. С астрономической точки зрения, удар был умеренной скоростью. Считается, что Тейя ударила Землю под косым углом , когда Земля почти полностью сформировалась. Компьютерное моделирование этого сценария "позднего столкновения" предполагает угол удара около 45 ° и начальную скорость ударника ниже 4 км / с. Однако содержание изотопа кислорода в лунной породе предполагает «сильное перемешивание» Тейи и Земли, что указывает на крутой угол удара. Железное ядро ​​ Тейи погрузилось бы в ядро ​​молодой Земли, и большая часть мантии Тейи срослась с земной мантией. Однако значительная часть мантийного материала как с Тейи, так и с Земли была бы выброшена на орбиту вокруг Земли (если выброшена со скоростями от орбитальной скорости до космической скорости ) или на отдельные орбиты вокруг Солнца (при выбросе с большей скоростью). Моделирование выдвинуло гипотезу о том, что материал на орбите вокруг Земли мог срастаться с образованием Луны в трех последовательных фазах; сначала происходит аккреция от тел, изначально присутствующих за пределами предела Роша Земли, что ограничивало материал внутреннего диска пределом Роша. Внутренний диск медленно и вязко распространился обратно до предела Роша Земли, продвигаясь вдоль внешних тел посредством резонансных взаимодействий. Спустя несколько десятков лет диск распространился за предел Роша и начал производить новые объекты, которые продолжали рост Луны, пока внутренний диск не истощился по массе через несколько сотен лет. Материал на стабильных орбитах Кеплера, таким образом, вероятно, должен был попасть в систему Земля-Луна когда-нибудь позже (поскольку орбита Кеплера вокруг Солнца в системе Земля-Луна также остается стабильной). Оценки, основанные на компьютерном моделировании такого события, показывают, что около двадцати процентов первоначальной массы Тейи превратилось бы в орбитальное кольцо обломков вокруг Земли, а примерно половина этой материи слилась в Луну.. Земля получила бы значительное количество углового момента и массы в результате такого столкновения. Независимо от скорости и наклона вращения Земли перед столкновением, она пережила бы день примерно через пять часов после столкновения, и экватор Земли и орбита Луны стали бы копланарными.

Не все Необходимость в кольцевом материале была немедленно устранена: утолщенная кора обратной стороны Луны предполагает возможность образования второй Луны диаметром около 1000 км в точке Лагранжа Луны. Меньшая луна могла оставаться на орбите десятки миллионов лет. Поскольку две луны мигрировали наружу от Земли, солнечные приливные эффекты сделали бы орбиту Лагранжа нестабильной, что привело бы к столкновению с медленной скоростью, которое "обрушило" меньшую луну на то, что сейчас является обратной стороной Луны, добавив материала к ее корочка. Лунная магма не может пробить толстую кору на противоположной стороне, вызывая меньшее количество лунных морей, в то время как на ближней стороне есть тонкая кора, на которой видны большие моря, видимые с Земли.

Состав

В 2001 г. команда из Института Карнеги в Вашингтоне сообщила, что камни из программы Аполлон несут изотопную сигнатуру, которая идентична камням с Земли и отличается от почти все другие тела в Солнечной системе.

В 2014 году группа ученых из Германии сообщила, что образцы Аполлона имели несколько отличную от земных пород изотопную сигнатуру. Разница была небольшой, но статистически значимой. Одно из возможных объяснений состоит в том, что Тейя образовалась недалеко от Земли.

Эти эмпирические данные, показывающие близкое сходство состава, могут быть объяснены только стандартной гипотезой гигантского удара как крайне маловероятное совпадение, когда два тела каким-то образом до столкновения имел похожий состав. Однако в науке очень низкая вероятность ситуации указывает на ошибку в теории, поэтому усилия были сосредоточены на модификации теории, чтобы лучше объяснить тот факт, что Земля и Луна состоят из почти одного типа горных пород.

Гипотеза уравновешивания

В 2007 году исследователи из Калифорнийского технологического института показали, что вероятность того, что Тейя будет иметь идентичную изотопную сигнатуру, как Земля, была очень мала (менее 1 процента). Они предположили, что после гигантского удара, в то время как Земля и прото-лунный диск были расплавлены и испарены, два резервуара были соединены общей атмосферой силикатного пара, и что система Земля-Луна стала гомогенизированной за счет конвективного перемешивания, в то время как Система существовала в виде сплошной жидкости. Такое «уравновешивание» между Землей после столкновения и прото-лунным диском - единственный предлагаемый сценарий, который объясняет изотопное сходство скал Аполлона с породами из недр Земли. Однако для того, чтобы этот сценарий был жизнеспособным, прото-лунный диск должен просуществовать около 100 лет. Работа над тем, чтобы определить, возможно ли это, продолжается.

Гипотеза прямого столкновения

Согласно исследованию (2012) для объяснения схожего состава Земли и Луны на основе моделирования в Университете Берна физиком Андреасом Рейфером и его коллеги, Тейя столкнулась непосредственно с Землей, вместо того, чтобы едва провести ее. Скорость столкновения могла быть выше, чем предполагалось изначально, и эта более высокая скорость могла полностью уничтожить Тейю. В соответствии с этой модификацией состав Theia не ограничен таким образом, что позволяет составить до 50% водяного льда.

Гипотеза Synestia

Одна попытка (2018) гомогенизировать продукты столкновение должно было привести в действие первичное тело за счет большей скорости вращения перед столкновением. Таким образом, из основного тела будет выделено больше материала, чтобы сформировать Луну. Дальнейшее компьютерное моделирование показало, что наблюдаемый результат может быть получен при очень быстром вращении предземного тела, настолько сильного, что оно сформировало новый небесный объект, которому было присвоено имя «синестия ». Это нестабильное состояние, которое могло быть вызвано еще одним столкновением, чтобы вращение вращалось достаточно быстро. Дальнейшее моделирование этой переходной структуры показало, что первичное тело, вращающееся как объект в форме пончика (синестия), существовало около века (очень короткое время), прежде чем оно остыло и породило Землю и Луну.

Гипотеза земного магматического океана

Другая модель (2019), объясняющая сходство состава Земли и Луны, утверждает, что вскоре после образования Земли она была покрыта морем горячей магмы, в то время как падающий объект, вероятно, был сделан из твердого материала. Моделирование предполагает, что это приведет к тому, что магма будет нагрета гораздо сильнее, чем твердые тела, от ударяющего объекта, что приведет к выбросу большего количества материала из прото-Земли, так что около 80% образующих Луну обломков происходят из прото-Земли.. Многие предыдущие модели предполагали, что 80% Луны исходит от ударного элемента.

Доказательства

Косвенное свидетельство сценария гигантского удара исходит из камней, собранных во время высадки Аполлона на Луну, которые показывают соотношение изотопов кислорода , почти идентичное земному. Высокий анортозитный состав лунной коры, а также существование образцов, богатых KREEP, позволяют предположить, что большая часть Луны когда-то была расплавленной; и сценарий гигантского столкновения мог легко обеспечить энергию, необходимую для образования такого магматического океана. Несколько свидетельств показывают, что если у Луны есть железо ядро, то оно должно быть маленьким. В частности, средняя плотность, момент инерции, характер вращения и реакция магнитной индукции Луны предполагают, что радиус ее ядра составляет менее примерно 25% от радиуса Луны, в отличие от примерно 50% для большей части Луны. другие земные тела. Соответствующие условия удара, удовлетворяющие ограничениям по угловому моменту системы Земля-Луна, дают Луну, сформированную в основном из мантии Земли и ударного элемента, в то время как ядро ​​ударного элемента срастается с Землей. Примечательно, что у Земли самая высокая плотность из всех планет Солнечной системы; поглощение сердцевиной ударного тела объясняет это наблюдение, учитывая предполагаемые свойства ранней Земли и Тейи.

Сравнение изотопного состава цинка лунных образцов с породами Земли и Марса является дополнительным доказательством гипотезы удара. Цинк является сильно фракционируется, когда улетучивается в горных породах планеты, но не во время обычных изверженных процессов, поэтому содержание цинка и изотопный состав могут различать два геологических процесса. Лунные породы содержат больше тяжелых изотопов цинка и в целом меньше цинка, чем соответствующие вулканические породы Земли или Марса, что согласуется с тем, что цинк истощается с Луны в результате испарения, как и ожидалось для происхождения гигантского удара.

Столкновения между выбросом, выходящим за пределы гравитации Земли, и астероидами оставались бы тепловые следы удара в каменных метеоритах; Анализ, основанный на предположении о существовании этого эффекта, использовался для определения даты столкновения 4,47 миллиарда лет назад, что согласуется с датой, полученной другими способами.

Теплая пыль, богатая кремнеземом, и большое количество газа SiO, продукты высокоскоростных (>10 км / с) столкновений между каменными телами, были обнаружены космическим телескопом Спитцера около ближайшего (29 пк далеких) молодых (~ 12 моих старых) звезда HD172555 в движущейся группе Beta Pictoris. Пояс теплой пыли в зоне между 0,25AU и 2AU от молодой звезды HD 23514 в скоплении Плеяды кажется похожим на предсказанные результаты столкновения Тейи с зародышевой Землей, и было интерпретировано как результат столкновения объектов размером с планету друг с другом. Аналогичный пояс теплой пыли был обнаружен вокруг звезды BD + 20 ° 307 (HIP 8920, SAO 75016).

Трудности

Эта гипотеза лунного происхождения имеет некоторые трудности которые еще предстоит решить. Например, гипотеза гигантского удара предполагает, что поверхностный океан магмы образовался бы после удара. Однако нет никаких доказательств того, что на Земле когда-либо был такой океан магмы, и вполне вероятно, что существует материал, который никогда не обрабатывался в океане магмы.

Состав

Требуется ряд несоответствий в составе быть адресованным.

  • Соотношение летучих элементов Луны не объясняется гипотезой гигантского удара. Если гипотеза гигантского удара верна, эти соотношения должны быть вызваны какой-то другой причиной.
  • Наличие летучих веществ, таких как вода, захваченная в лунных базальтах, и выбросы углерода с поверхности Луны, являются Сложнее объяснить, возникла ли Луна в результате высокотемпературного удара.
  • Содержание оксида железа (FeO) (13%) в Луне, промежуточное между Марсом (18%) и земной мантией (8%), исключает большую часть источника прото-лунного материала из мантии Земли.
  • Если основная часть прото-лунного материала произошла от ударного элемента, Луна должна быть обогащена сидерофильных элементов, когда на самом деле они отсутствуют.
  • Изотопные отношения кислорода на Луне практически идентичны таковым на Земле. Отношения изотопов кислорода, которые можно измерить очень точно, дают уникальную и отличную характеристику для каждого тела солнечной системы. Если бы существовала отдельная протопланета Тейя, она, вероятно, имела бы другую изотопную сигнатуру кислорода, чем Земля, как и выброшенный смешанный материал.
  • Лунный изотоп титана отношение (Ti / Ti) кажется настолько близким к земному (в пределах 4 частей на миллион), что небольшая часть массы сталкивающегося тела, если она вообще, могла быть частью Луны.

Отсутствие венерианской луны

Если Луна образовалась в результате такого удара, вполне возможно, что другие внутренние планеты также могли подвергнуться аналогичным ударам. Маловероятно, что Луна, образовавшаяся вокруг Венеры в результате этого процесса, сбежит. Если бы такое событие формирования луны произошло там, возможное объяснение того, почему на планете нет такой луны, могло бы заключаться в том, что произошло второе столкновение, которое противодействовало угловому моменту от первого удара. Другая возможность состоит в том, что сильные приливные силы от Солнца будут иметь тенденцию дестабилизировать орбиты лун вокруг близких планет. По этой причине, если бы медленная скорость вращения Венеры началась в самом начале ее истории, любые спутники диаметром более нескольких километров, вероятно, свернулись бы внутрь и столкнулись с Венерой.

Моделирование хаотического периода формирования планет земной группы предполагает что столкновения, подобные тем, которые предположительно образовали Луну, были обычным явлением. Для типичных планет земной группы с массой от 0,5 до 1 массы Земли такое столкновение обычно приводит к тому, что одна луна содержит 4% массы планеты-хозяина. Наклон полученной орбиты Луны случайный, но этот наклон влияет на последующую динамическую эволюцию системы. Например, некоторые орбиты могут привести к тому, что Луна вернется к планете по спирали. Точно так же близость планеты к звезде также повлияет на эволюцию орбиты. В конечном итоге вызванные ударами спутники с большей вероятностью выживут, если они вращаются вокруг более далеких планет земного типа и выровнены с планетной орбитой.

Возможное происхождение Тейи

Один из предлагаемых путей для Большого Всплеск, если смотреть со стороны южного полюса (не в масштабе).

В 2004 году Принстонский университет математик Эдвард Белбруно и астрофизик Дж. Ричард Готт III предположил, что Тейя объединилась в L4 или L5 лагранжевой точке относительно Земли (примерно на той же орбите и примерно на 60 ° вперед или назад), подобно троянскому астероиду .. Двумерные компьютерные модели предполагают, что стабильность предложенной Тейей троянской орбиты будет нарушена, если его растущая масса превысит пороговое значение, составляющее примерно 10% массы Земли (массы Марса). В этом сценарии гравитационные возмущения со стороны планетезималей заставили Тейю отклониться от своего стабильного лагранжевого положения, и последующие взаимодействия с протоземлей привели к столкновению между двумя телами.

В 2008 г. появились доказательства. было представлено, что предполагает, что столкновение могло произойти позже, чем принятое значение 4,53 Гя, примерно при 4,48 Гя. Сравнение компьютерного моделирования в 2014 году с измерениями содержания элементов в мантии Земли показало, что столкновение произошло примерно через 95 млн лет после образования Солнечной системы.

Было высказано предположение, что другие важные объекты могли быть созданы удар, который мог остаться на орбите между Землей и Луной, застрял в точках Лагранжа. Такие объекты могли оставаться в системе Земля-Луна до 100 миллионов лет, пока гравитационные толчки других планет не дестабилизировали систему в достаточной степени, чтобы освободить объекты. Исследование, опубликованное в 2011 году, показало, что последующее столкновение Луны с одним из этих меньших тел вызвало заметные различия в физических характеристиках двух полушарий Луны. Моделирование подтвердило, что это столкновение произошло с достаточно низкой скоростью, чтобы не образовался кратер; вместо этого материал меньшего тела распространился бы по Луне (в том, что стало бы ее обратной стороной ), добавив толстый слой коры высокогорья. Полученные в результате неоднородности массы впоследствии вызовут градиент силы тяжести, который приведет к приливной блокировке Луны, так что сегодня с Земли остается видимой только ближняя сторона. Однако картографирование миссии GRAIL исключило этот сценарий.

В 2019 году группа из Университета Мюнстера сообщила, что изотопный состав молибдена ядра Земли происходит из внешней Солнечной системы, вероятно, доставляя воду на Землю. Одно из возможных объяснений заключается в том, что Тейя возникла во внешней Солнечной системе.

Альтернативные гипотезы

Другие механизмы, которые предлагались в разное время для происхождения Луны, заключаются в том, что Луна была отделена от Земли расплавленная поверхность под действием центробежной силы ; что он образовался где-то еще и впоследствии был захвачен гравитационным полем Земли; или что Земля и Луна образовались в одно и то же время и в одном месте из одного и того же аккреционного диска . Ни одна из этих гипотез не может объяснить высокий угловой момент системы Земля – Луна.

Другая гипотеза связывает образование Луны с столкновением большого астероида с Землей намного позже чем считалось ранее, создание спутника в первую очередь из обломков с Земли. Согласно этой гипотезе, формирование Луны происходит через 60–140 миллионов лет после образования Солнечной системы. Раньше считалось, что возраст Луны составляет 4,527 ± 0,010 миллиарда лет. Столкновение в этом сценарии создало бы океан магмы на Земле и на протолуне, причем оба тела разделяли общую плазменную атмосферу пара металла. Общий мост из металлического пара позволил бы материалу с Земли и прото-Луны обмениваться и уравновешиваться в более общий состав.

Еще одна гипотеза предполагает, что Луна и Земля сформировались вместе, а не по отдельности, как предполагает гипотеза гигантского удара. Эта модель, опубликованная в 2012 г. Робином М. Канупом, предполагает, что Луна и Земля образовались в результате массового столкновения двух планетных тел, каждое больше Марса, которые затем снова столкнулись, чтобы сформировать то, что мы сейчас позвонить Земле. После повторного столкновения Земля была окружена диском материала, который образовал Луну. Эта гипотеза может объяснить факты, которых нет у других.

Луна - Oceanus Procellarum («Океан бурь») Древние рифтовые долины - прямоугольная структура (видна - топография - Градиенты гравитации GRAIL ) (1 октября 2014 г.). Древние рифтовые долины - контекст. Древние рифтовые долины - крупным планом (концепция художника).

См. Также

  • Астрономический портал
  • Космический портал
  • Портал Солнечной системы

Ссылки

Примечания

Дополнительная литература

Академические статьи

Неакадемические книги

Внешние ссылки

Последняя правка сделана 2021-05-21 07:50:03
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте