Около 4,5 миллиардов лет назад небольшая планета столкнулась с молодой Землёй и выбросила расплавленную породу в космос. Эти обломки медленно охлаждались и затвердевали, формируя нашу Луну. Хотя большинство учёных придерживаются этого сценария, подробности процесса всё ещё являются объектом дискуссий и тайн. 

Исследователи из Лунной и Планетарной лаборатории Университета Аризоны опубликовали статью в журнале Nature Geoscience, в которой они детально раскрывают новые результаты исследований, которые могут помочь не только понять происхождение Луны, но и эволюцию планет, таких как Земля и Марс.

На данный момент большая часть наших знаний о происхождении Луны основывается на анализе образцов грунта, привезенных астронавтами «Аполлона», и на теоретических моделях. Астронавты доставили образцы базальтовых лавовых пород с Луны, которые обладают необычно высокой концентрацией титана. Более поздние спутниковые наблюдения показали, что эти породы в основном расположены на ближней стороне Луны. Однако процесс, который привёл к этому распределению и причина, по которой эти породы попали именно в эту область, остались загадкой.

Иллюстрация гравитационного градиента (синий узор) на ближней стороне Луны и поперечное сечение, показывающее два ильменитсодержащих потока, образовавшихся в результате переворота лунной мантии. Источник: Adrien Broquet / University of Arizona & Audrey Lasbordes

Поскольку Луна сформировалась быстро, она, вероятно, была покрыта океаном магмы и постепенно охладилась, что привело к образованию мантии и коры. Однако под поверхностью молодая Луна была не в равновесии. Модели предполагают, что остатки океана магмы в итоге кристаллизовались в минералы, включая ильменит — минерал, богатый титаном и железом.

«Поскольку эти минералы плотнее мантии под ней, они создали гравитационную нестабильность, вследствие чего этот слой погрузится глубже в недра Луны», — сказал Вейган Лян, руководитель исследования.

В какой момент и каким образом этот плотный материал вернулся на поверхность в виде потоков лавы, богатых титаном, которые мы видим сегодня, остаётся вопросом. 

«Луна буквально вывернулась наизнанку. Но было мало доказательств, которые могли бы пролить свет на точную последовательность событий на этом этапе лунной истории, и много разногласий в деталях того, что произошло», — говорит соавтор Джефф Эндрюс-Ханна.

Учёные спорят о том, тонул ли этот материал постепенно по мере остывания Луны или весь опустился внутрь и затем снова поднялся на ближней стороне. Также существует версия, что этот материал мог потонуть как одно крупное образование, так и несколько отдельных фрагментов.

«Не имея доказательств, можно выбрать себе любимую модель. Каждая модель имеет важные последствия для геологической эволюции Луны», — сказал соавтор Адриен Броке из Немецкого аэрокосмического центра в Берлине.

Ближняя сторона Луны с её темными областями, покрытыми богатыми титаном вулканическими потоками (в центре), представляет собой привычный вид Луны с Земли (слева). Область морей окружена полигональным узором линейных гравитационных аномалий (синий на изображении справа), которые интерпретируются как остатки плотного материала, который погрузился внутрь. Их присутствие является первым физическим доказательством переворота мантии, произошедшего более 4 миллиардов лет назад. Источник: Adrien Broquet / University of Arizona

В предыдущем исследовании, проведённом Наном Чжаном из Пекинского университета, который также является соавтором этой статьи, модели показали, что плотный слой богатого титаном материала сначала мигрировал на ближнюю сторону Луны, а затем погрузившийся во внутреннюю часть Луны в виде сети пластинчатых плит, опускающихся в недра Луны. Но когда этот материал затонул, он оставил после себя под корой богатый титаном материала.

«Когда мы увидели эти предсказания модели, это было похоже на то, как будто зажглась лампочка», — сказал Эндрюс-Ханна, — «потому что мы видим точно такую ??же картину, когда смотрим на изменения в гравитационном поле Луны, обнаруживая сеть плотного материала, скрывающуюся под её корой».

В новом исследовании учёные сравнили моделирование погружающегося слоя, содержащего ильменит, с данными о гравитационных аномалиях, собранных миссией NASA GRAIL (Grail от Global Positioning System (GPS) or Gravity Recovery and Interior Laboratory. Два космических аппарата миссии вращались вокруг Луны в период с 2011 по 2012 год и измеряли малейшие изменения её гравитационного притяжения. Гравитационные аномалии окружают большую тёмную область на ближней стороне Луны, которая покрыта вулканическими потоками.

Авторы обнаружили, что измерения гравитационных характеристик, полученные в рамках миссии GRAIL, согласуются с моделированием слоя ильменита. Это позволяет составить карту распределения остатков ильменита после погружения большей части плотного слоя.

«Наш анализ показывает, что модели и данные рассказывают одну последовательную историю», — сказал Вейган Лян, — «Ильменитовый материал мигрировал на ближнюю сторону Луны и погрузился внутрь в виде пластинчатых каскадов, оставив следы, которые вызывают аномалии в гравитационном поле Луны, как это видно на данных миссии GRAIL».

Исследование также помогло ограничить время этого события. Гравитационные аномалии обрываются на крупных и старых ударных бассейнах на ближней стороне Луны, и, следовательно, они должны были образоваться раньше. Исходя из этих связей, учёные предполагают, что слой, богатый ильменитом, погрузился более 4,22 миллиарда лет назад, что соответствует времени, когда произошёл более поздний вулканизм на поверхности Луны.

Однако учёные отмечают, что хотя обнаружение аномалий гравитации Луны даёт доказательства погружения плотного слоя в её недра, поверхность Луны всё ещё остаётся открытым вопросом в истории её эволюции.

Как отмечает Эндрюс-Ханна, Луна во многих отношениях является однобокой. Ближняя сторона Луны, обращённая к Земле, и особенно тёмная область, Oceanus Procellarum, находятся ниже по высоте, имеют более тонкую кору и в основном покрыты лавой. Они также выделяются высокими концентрациями обычно редких элементов, таких как титан и торий.

Дальняя сторона Луны отличается от ближней стороны во всех аспектах. Считается, что переворот лунной мантии связан с уникальной структурой и историей ближнего региона Procellarum. Однако детали этого переворота вызывают споры среди учёных.

Эта работа связывает геофизические данные о внутренней структуре Луны с компьютерными моделями её эволюции. И это первые доказательства того, что происходило внутри Луны на этапе её эволюции.

Эндрюс-Ханна говорит: «Оказывается, самая ранняя история Луны записана под поверхностью, и потребовалось лишь правильное сочетание моделей и данных, чтобы раскрыть эту историю».

Дальнейшие миссии, такие как использование сейсмической сети, позволят более детально изучить геометрию этих структур и ещё лучше понять эволюцию Луны.