Более 4 миллиардов лет назад, во времена юной Солнечной системы, Земля пережила столкновение с огромным объектом размером с Марс. Из обломков сформировалась Луна, однако точное время её образования оставалось загадкой. 

В новом исследовании учёные использовали образцы реголита, доставленные с Луны астронавтами программы Appollo в 1972 году, чтобы точнее определить время формирования Луны. Их открытие позволило установить, что она на 40 миллионов лет старше, чем предполагалось ранее. Теперь считается, что естественному спутнику Земли более 4,46 миллиардов лет.

Изображение зерна лунного реголита, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа.
Источник: Dr Jennika Greer

«Эти образцы являются самыми старыми известными твёрдыми веществами, образовавшимися после столкновения. И поскольку мы знаем их возраст, они служат опорой для лунной хронологии», — говорит Филипп Хек, старший автор исследования. Открытие было результатом работы Филиппа Хека совместно с аспиранткой Дженникой Грир.

«К нам обратились наши соавторы, Бидонг Чжан и Одри Бувье, которым требовался наномасштабный анализ этих образцов для их полного понимания», — говорит Грир, которая уже стала научным сотрудником в Школе географических наук и наук о Земле Университета Глазго.

В реголите содержатся крошечные кристаллы, сформировавшиеся миллиарды лет назад. Эти кристаллы служат ключевым индикатором того, когда, вероятно, возникла Луна. При столкновении объекта размером с Марс с Землёй и формировании Луны, энергия удара расплавила породу, из которой впоследствии образовалась поверхность Луны.

«Пока поверхность была расплавлена, кристаллы не могли сформироваться и сохраниться. Поэтому любые кристаллы на поверхности Луны должны были образоваться после остывания лунного магматического океана. Иначе бы они так же расплавились, и их химические «следы» были бы стёрты», — говорит Хек.

Поскольку частицы должны были образоваться после остывания магматического океана, определение возраста образцов позволило установить минимально возможный возраст Луны. Предыдущее исследование соавтора Бидонга Чжана косвенно указывало на тот же диапазон, но последнее исследование стало первым применением аналитического метода, называемого атомно-зондовой томографией, которая и «установила» возраст самых древних лунных частиц.

«В атомно-зондовой томографии мы начинаем с того, что затачиваем образец лунного материала с помощью ионного микроскопа. Затем мы используем ультрафиолетовые лазеры, чтобы испарить атомы с поверхности. Атомы перемещаются через масс-спектрометр, скорость перемещения говорит нам о их массе, что в свою очередь позволяет определить состав», — рассказала Грир.

Этот атомный анализ, проведённый в Университете Нортвестерн, показал, что многие атомы прошли радиоактивный распад. Когда у атома нестабильная конфигурация протонов и нейтронов в ядре, в нём происходят процессы распада, и тогда атом испускает некоторое количество протонов и нейтронов. Учёные установили, сколько времени занимает этот процесс, и, изучая пропорцию различных изотопов урана и свинца в образце, смогли точнее определить возраст образцов.