Около 4,5 млрд лет назад в истории Земли произошло событие, которое определило ее дальнейшую эволюцию — она столкнулась с другой крупной протопланетой, Тейей. Это столкновение привело к формированию Луны.
Тейя — гипотетическая протопланета, существовавшая на раннем этапе формирования Солнечной системы около 4,5 млрд лет назад. Размеры Тейи были сопоставимы с Марсом: ее масса, вероятно, составляла примерно 10% массы Земли.
Тейя и Земля столкнулись потому, что в ранней Солнечной системе несколько крупных тел находились на близких нестабильных орбитах, которые со временем начали пересекаться из-за гравитационных возмущений.
Из-за столкновения образовалась Луна: часть выброшенного при ударе вещества собралась на орбите Земли и со временем сформировала спутник.
После столкновения изменился химический состав Земли: часть материала Тейи смешалась с земной мантией. Следы гипотетической планеты, вероятно, сохраняются в глубинных слоях мантии.
Что собой представляла планета Тейя и как выглядела
Тейя — это гипотетическая протопланета, существовавшая на раннем этапе формирования Солнечной системы примерно 4,5 млрд лет назад. Ее масса, вероятно, составляла около 10% массы Земли. Внутренняя структура Тейи могла напоминать Землю в период до окончательного формирования коры.
Неизвестно, как именно выглядела Тейя. В период ее существования крупные небесные тела еще только формировались. Из-за радиоактивного распада и частых столкновений друг с другом они постоянно испытывали сильное тепловое воздействие. Возможно, поверхность Тейи представляла собой океан магмы. Ядро планеты состояло из железа, мантия была силикатной.
Ученые из Института исследований Солнечной системы Общества Макса Планка и Чикагского университета предполагают, что Земля и Тейя, вероятно, располагались очень близко друг к другу. Один из вариантов — нахождение в окрестности точек Лагранжа системы Солнце-Земля, где гравитационные условия позволяли протопланете длительное время сохранять устойчивое положение. Со временем гравитационные возмущения привели к сближению орбит, что и создало условия для столкновения с молодой Землей.
Гипотеза столкновения Тейи с Землей
Основная теория, объясняющая происхождение Луны и роль Тейи — это гипотеза гигантского удара. Согласно ей, около 4,5 млрд лет назад протопланета Тейя столкнулась с Землей.
Считается, что столкновение было не лобовым, а косым. При таком сценарии значительная часть вещества обоих тел оказалась выброшенной на околоземную орбиту. Из этого материала со временем сформировался протопланетный диск, из которого затем возникла Луна. Остальная часть вещества слилась с Землей, изменив ее массу, химический состав и внутреннюю структуру.
Расчеты показывают, что столкновение происходило на скорости порядка 4—9 километров в секунду. Угол удара и соотношение масс тел могли различаться в разных сценариях, однако ключевым остается сам факт высокоэнергетического взаимодействия — его было достаточно, чтобы расплавить значительную часть мантии и выбросить материал в космос.
Современные представления о гигантском ударе опираются на результаты компьютерных симуляций, изотопные исследования земных и лунных пород и данные о структуре мантии Земли. В вышеупомянутом исследовании ученых из Института исследований Солнечной системы Общества Макса Планка и Чикагского университета показано, что такой сценарий согласуется с наблюдаемыми геохимическими и геофизическими данными и остается наиболее убедительным объяснением происхождения Луны.
Какие есть доказательства, что Земля столкнулась с Тейей
Основные доказательства столкновения Земли с Тейей основаны на данных изотопной геохимии и моделировании ранней истории планеты. Они показывают, что без участия отдельного крупного тела объяснить происхождение Луны и состав земной мантии невозможно.
К моменту предполагаемого столкновения у Земли уже сформировалось железное ядро. Это означает, что такие элементы, как железо и молибден, должны были в основном уйти в ядро и почти не присутствовать в мантии.
Однако в земной мантии они есть. Следовательно, часть материала попала туда после формирования ядра.
Луна источником железа и молибдена быть не может. Она сформировалась в момент предполагаемого столкновения из вещества, выброшенного в космос. Спутник Земли — результат процесса, а не его причина.
Соотношение изотопов железа в образцах земных и лунных пород почти идентично. Такое совпадение невозможно объяснить, если Луна образовалась из полностью чуждого обитаемой планете материала, и плохо согласуется с моделью, в которой она состоит только из земного вещества. Результаты указывают на интенсивное смешение материала двух тел в момент столкновения.
Дополнительно ученые проанализировали изотопы хрома, молибдена и циркония. Эти элементы фиксируют разные этапы формирования планет и позволяют определить область происхождения исходного материала. Сравнение с метеоритами показало, что вещество Земли и небесного тела, с которым она столкнулась, происходило из внутренней части Солнечной системы, но при этом не совпадает полностью ни с одним известным типом метеоритов, что косвенно подтверждает существование Тейи.
Еще один аргумент в пользу столкновения Земли с Тейей — крупные области с пониженной скоростью прохождения сейсмических волн в нижней мантии Земли, так называемые LLVP (Large Low-Velocity Provinces). Эти структуры расположены под Африкой и Тихим океаном, тянутся на тысячи километров и отличаются повышенной плотностью и нетипичным химическим составом по сравнению с окружающей мантией.
Компьютерное моделирование, результаты которого опубликованы в журнале Nature, показывает, что LLVP могли сформироваться в результате гигантского удара: часть вещества протопланеты Тейи не полностью перемешалась с Землей и опустилась в нижнюю мантию, где сохранилась до наших дней. Наличие LLVP трудно объяснить только внутренней эволюцией Земли, зато оно хорошо согласуется со сценарием столкновения с крупным внешним телом.
Вопросы и ответы
В разделе ответили на вопросы о Тейе.
Почему Тейю называют гипотетической планетой, если о ней так много известно?
Тейю считают гипотетической, потому что от нее не сохранилось прямых физических объектов — например, метеоритов, которые можно однозначно с ней связать. Все выводы основаны на косвенных данных: химическом составе Земли и Луны, компьютерных моделях столкновений и структуре земной мантии.
Почему столкновение не разрушило Землю полностью?
Несмотря на масштаб события, энергия столкновения была недостаточной, чтобы полностью уничтожить Землю — у нее уже была достаточная масса и гравитация. Тейя была меньше, поэтому она оказалась уничтожена. Часть материала, из которого она состояла, попала на орбиту и стала основой для формирования Луны.
Можно ли считать историю Тейи уникальной для Солнечной системы?
Нет. Современные модели формирования планет показывают, что крупные столкновения были обычным этапом эволюции планетных систем. Аналогичные события, вероятно, происходили и в других звездных системах. Тейя важна не потому, что ее история уникальна, а потому, что ее последствия можно подробно изучать на примере Земли и Луны.
