Роберт Гейзен - Історія Землі

Зрештою після закінчення рентгенівського та оптичного опрацювання я використовував хитромудру аналітичну машину під назвою електронний мікрозонд, яка визначала точне співвідношення елементів у моїх зразках. Знову і знову я підтверджував попередні знахідки: мінерали з поверхні Місяця хоча й мають переважно ті ж елементи, що існують на Землі, проте в деталях вони значно різняться. У них більше титану, також вони відрізняються за вмістом хрому.

Ці та інші підказки, отримані при дослідженні порід, здобутих програмою «Аполлон», суворо обмежили різноманіття теорій походження Місяця. По-перше, виявилося, що Місяць суттєво різниться від Землі: він має значно меншу щільність; також у нього немає великого щільного залізного металевого ядра. Ядро Землі складає майже третину маси планети, проте крихітне ядро Місяця складає менше 3 % його маси. По-друге, місячні гірські породи майже не містять слідів більшості летких елементів – тих, які мають властивість випаровуватися тільки-но починається нагрівання. У місячному пилу немає азоту, вуглецю, сірки та водню, які розповсюджені на поверхні Землі. На відміну від Землі, де є рідка вода, а ґрунт містить насичені водою мінерали, як-от глина чи слюда, на Місяці під час експедицій за програмою «Аполлон» не було знайдено жодних багатоводних мінералів. Певно, через вибух або спікання леткі сполуки залишили Місяць, адже зараз його поверхня є невблаганно сухою.

Третьою ключовою знахідкою в межах програми «Аполлон» є такий елемент, як кисень, а саме – розподіл його ізотопів. Кожний хімічний елемент визначається кількістю позитивно заряджених протонів у його ядрі. Ця кількість є унікальною – кисень також називають «атомом із вісьма протонами». Атомні ядра також містять й іншу частинку – електрично нейтральний нейтрон. Більш ніж 99,7 % атомів кисню, що існують у всесвіті, мають вісім нейтронів (вісім протонів плюс вісім нейтронів дорівнює ізотопу, який називають кисень-16), тоді як рідкісніші ізотопи з дев’ятьма чи десятьма нейтронами (кисень-17 та кисень-18 відповідно) наявні у якихось частках проценту.

Хімічні властивості кисню-16, кисню-17 та кисню-18 є фактично ідентичними – ви можете дихати будь-яким із них і не відчуєте жодної різниці, однак вони таки мають різну масу. Кисень-18 важчий за кисень-16. Отже, коли кисневмісна сполука переходить із твердого стану в рідкий чи з рідкого в газоподібний, менш масивний кисень-16 може рухатися значно швидше. Під час буремного народження Сонячної системи такі зміни агрегатного стану були звичним явищем, і вони призвели до зміни кількості ізотопів кисню. Виявилося, що співвідношення кисню-16 та кисню-18 варіюється залежно від планети і є дуже чутливим відносно відстані планети до Сонця в момент її формування. Аналіз місячних зразків виявив, що пропорції ізотопів кисню на Місяці і на Землі практично однакові. Іншими словами, Земля та Місяць мали би сформуватися на приблизно однаковій від Сонця відстані.

Тож як же позначилися ці відкриття на трьох конкуруючих гіпотезах про формування Місяця? Теорія спільної акреції із самого початку була під знаком питання. Якщо Місяць утворився із залишків від формування Землі, то він мав би мати схожий середній хімічний склад. Насправді, як Місяць, так і Земля дійсно схожі за співвідношенням ізотопів кисню, проте теорія спільної акреції не може пояснити великі розбіжності у вмісті заліза та летких речовин. Середній хімічний склад Місяця настільки різниться від Землі, що важко стверджувати про їхнє спільне формування.

Невідповідності за складом також створили нерозв’язні проблеми для теорії захоплення. Теоретичні моделі планетарного руху припускають, що будь-яка захоплена планетезималь мала би сформуватися в сонячній туманності на приблизно такій відстані від Сонця, що і Земля, тож її середній склад був би подібним. У Місяця він інший. Звісно, астрономічний об’єкт розміром із Місяць міг би утворитися і в іншій частині сонячної туманності і вже згодом наблизитися до земної орбіти, проте комп’ютерне моделювання орбітальної динаміки передбачає, що в цьому випадку Місяць мав би надто високу швидкість, що повністю унеможливлює сценарій захоплення.

Тоді залишається теорія відцентрованого відділення Джорджа Говарда Дарвіна. Вона успішно пояснює схожий ізотопний склад кисню (Земля та Місяць є однією системою), а також різницю у вмісті заліза (ядро Землі тоді вже сформувалося; частина бідної на залізо, відшарованої мантії і була тим згустком речовини, що утворила Місяць). Вона напрочуд гарно узгоджується з тим, що однією частиною Місяць постійно повернутий до Землі: його обертання довкола Землі й навколо власної осі є синхронними та однаковими за напрямком. Усе ж залишається інша велика проблема: куди ж поділися ті леткі елементи, яких зараз немає на Місяці?