Только не слишком сильное столкновение с Землей могло породить Луну

При сильном ударе значительная часть вещества меньшего тела испаряется и крупного спутника не образуется. На этих шести кадрах показано развитие газового диска на протяжении 50 часов после такого столкновения в соответствии с результатами численного моделирования (рис. с сайта www.newscientistspace.com)

Японские астрономы построили численную модель столкновения молодой Земли с крупным небесным телом, которое, как предполагается, привело к образованию Луны. Неожиданно оказалось, что только относительно слабый удар, не вызвающий интенсивного испарения вещества, мог привести к появлению на околоземной орбите крупного спутника.

Космогония — теория образования планет и спутников — до сих пор остается одной из самых темных областей астрономии. Несмотря на все достижения планетологии и небесной механики здесьпо-прежнемумного сугубо описательных объяснений, которые недалеко ушли от знаменитой в свое время небулярной теории Канта—Лапласа.

Особенно темные места астрономы традиционно объясняют последствиями масштабных столкновений протопланет в тумане окружающего 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?

Как сообщает NewScientist, астрономы из японской Национальной астрономической обсерватории в Токио попробовали сделать шаг в этом направлении и рассчитать параметры столкновения с Землей, которое привело к образованию Луны.

Сама по себе идея о том, что Луна образовалась в результате столкновения, хотя и кажется излишне романтичной, но, похоже, имеет основания. Дело в том, что Луна попросту слишком велика для Земли. Не могло в протопланетном облаке столько вещества начать обращаться вокруг такой скромной планеты, как Земля. А предположение о захвате Землей 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 ее очень нелегко проверить.

Обычно подобные катаклизмы моделируют методом частиц. Сталкивающиеся тела представляются совокупностями точечных частиц, которые взаимодействую 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 расчета деталей внутренней структуры диска. В результате уже через сутки после столкновения по модельному времени расчет становится безнадежно неадекватным.

Чтобы справиться с этой трудностью, японские астрономы подошли к делу иначе, применив методы, которые обычно используются в гидродинамике. Формирующийся вокруг планеты диск разделили трехмерной 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 4 суток после столкновения.

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

В течение первых 10 часов после удара поведение всех моделей было довольно сходным — столкнувшийся с Землей объект, потеряв скорость, возвращался под действием тяготения обратно и полностью разрушался при повторном столкновении. Однако дальше развитие шлопо-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 твердой 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.

Однако новая модель всё же не полностью свободна от произвольных предположений. Одним из сложных вопросов при моделировании газовых дисков является учет их вязкости, то есть внутреннего трения. Определить его из модели невозможно и приходится его вводить в расчет 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 погруженных в него твердых и жидких частиц сформироваться спутник.