Луна — спутник, слишком огромный для такой скромной планеты, как Земля. Откуда она взялась? Этот вопрос не давал покоя астрономам столетиями, и самой живучей оказалась идея, отдающая космическим апокалипсисом: в молодую Землю врезалось нечто размером с Марс, выбив облако обломков, из которых затем и собралась Луна. Звучит почти как миф, но японские учёные из Национальной астрономической обсерватории в Токио в 2006 году попробовали превратить миф в точную науку — и обнаружили неожиданный нюанс. Оказалось, что удар должен быть не просто мощным, а удивительно «нежным», иначе Луна просто не смогла бы родиться.

Почему Луна — загадка для космогонии

Космогония — теория образования планет и спутников — до сих пор остаётся одной из самых тёмных областей астрономии. Несмотря на все достижения планетологии и небесной механики, здесь по-прежнему много описательных объяснений, которые недалеко ушли от знаменитой небулярной теории Канта-Лапласа. Особенно тёмные места астрономы традиционно объясняют последствиями масштабных столкновений протопланет в тумане окружавшего Солнце газопылевого диска. Возразить тут нечего — столкновения в ту эпоху, скорее всего, действительно имели место. Вопрос лишь в том, можно ли в самом деле в современных конфигурациях планет и спутниковых систем разглядеть следы тех давних катастроф.

Луна попросту слишком велика для Земли. Не могло в протопланетном облаке столько вещества начать обращаться вокруг такой скромной планеты. А предположение о захвате Землёй независимо обращающейся вокруг Солнца протопланеты не вписывается в представления небесной механики. Вот и приходится допустить, что сначала вещество сконденсировалось в один планетоид, а потом произошло катастрофическое столкновение. Врезавшийся в Протоземлю объект предположительно имел размеры, сравнимые с Марсом. От удара большое количество вещества выбросило в космос, где часть его образовала вокруг Земли газопылевой диск. В конце концов, под действием сил тяготения, это вещество сконцентрировалось и образовало наш естественный спутник. Красивая теория, если не считать того, что её очень нелегко проверить.

Численный эксперимент с гидродинамическим подходом

Обычно подобные катаклизмы моделируют методом частиц. Сталкивающиеся тела представляются совокупностями точечных частиц, которые взаимодействуют по правилам, учитывающим силы тяготения и давления. Но количество частиц в таких численных экспериментах измеряется лишь тысячами — больше не потянуть даже суперкомпьютерам, а этого недостаточно для расчёта деталей внутренней структуры диска. В результате уже через сутки после столкновения по модельному времени расчёт становится безнадёжно неадекватным.

Чтобы справиться с этой трудностью, японские астрономы подошли к делу иначе, применив методы, которые обычно используются в гидродинамике. Формирующийся вокруг планеты диск разделили трёхмерной сеткой на множество ячеек и для каждой из них стали отслеживать изменения температуры, плотности и других параметров. Такой подход позволил достаточно уверенно проследить эволюцию диска на протяжении четырёх суток после столкновения.

Главной целью моделирования было выяснение условий, при которых возникший вокруг Земли диск может стать источником вещества для формирования столь крупного спутника. Для этого моделирование проводилось при разных скоростях столкновения. В одном из двух крайних сценариев выброшенное вещество в основном представляло собой горячий газ, в другом — преимущественно расплав и твёрдые обломки.

Критическая скорость и судьба газового диска

В течение первых десяти часов после удара поведение всех моделей было довольно сходным — столкнувшийся с Землёй объект, потеряв скорость, возвращался под действием тяготения обратно и полностью разрушался при повторном столкновении. Однако дальше развитие шло по-разному. Если удары приводили к тому, что значительная часть вещества испарялась, то по газовому диску начинала распространяться ударная волна, которая замедляла его вращение. В результате вещество диска выпадало обратно на поверхность Земли и не могло сформировать на орбите крупный спутник.

Но если основная часть выброшенного вещества оставалась в жидкой и твёрдой фазах, ударная волна не могла распространяться по диску, и на орбите оставалась достаточно большая масса. Исследователи полагают, что при любом столкновении, если оно достаточно сильное, чтобы меньший объект испарился, крупного спутника образоваться не может. Для случая, когда Земля сталкивается с объектом размером с Марс, критическая скорость составляет около 15 километров в секунду. Более сильный удар уже не смог бы привести к образованию Луны.

Оговорки и неопределённости

Новая модель всё же не полностью свободна от произвольных предположений. Одним из сложных вопросов при моделировании газовых дисков является учёт их вязкости, то есть внутреннего трения. Определить его из модели невозможно, и приходится вводить его в расчёт в качестве параметра. Между тем именно от вязкости диска во многом зависит, насколько быстро он осядет на поверхность планеты и сможет ли из его остатков, а также погружённых в него твёрдых и жидких частиц сформироваться спутник.

Так что картина рождения Луны остаётся во многом гипотетической, но работа японских астрономов добавляет в неё важное ограничение: удар должен быть не слишком сильным. Иными словами, наша Луна — возможно, результат почти ювелирной космической аварии. Кстати, о скрытых океанах и спутниках-гигантах: мы уже писали, что подо льдом Европы океан вдвое больше всех океанов Земли — ещё одно напоминание, что спутники планет хранят не меньше загадок, чем сами планеты.