Theia¶

Те́йя — гипотетическая протопланета, существовавшая, согласно общепринятой гипотезе гигантского столкновения, на раннем этапе формирования Солнечной системы. Предположительно, Тейя сформировалась в одной из точек Лагранжа системы «Солнце — Земля» (L4 или L5) и имела размеры, сопоставимые с современным Марсом. Около 4,5 миллиардов лет назад Тейя столкнулась с прото-Землёй (Геей), в результате чего значительная часть вещества обоих тел была выброшена на околоземную орбиту и впоследствии сформировала Луну. Гипотеза впервые была предложена в 1970-х годах и получила название «гипотеза гигантского столкновения»; имя «Тейя» было дано гипотетической планете в честь титаниды из древнегреческой мифологии, матери Селены (богини Луны).

¶История гипотезы

¶Предпосылки возникновения

До середины XX века происхождение Луны оставалось одной из неразрешённых проблем планетологии. Существовало несколько конкурирующих теорий: захват Луны гравитацией Земли (теория захвата), центробежное отделение части земной мантии (теория центробежного отделения) и совместная аккреция Земли и Луны из общего протопланетного облака (теория совместной аккреции). Каждая из них сталкивалась с серьёзными противоречиями: теория захвата не объясняла изотопное сходство земных и лунных пород, теория центробежного отделения — малый размер лунного ядра, а теория совместной аккреции — высокий угловой момент системы Земля — Луна.

¶Разработка гипотезы

В 1974 году американские астрономы Уильям Хартманн и Дональд Дэвис в статье «Сателлитообразование при больших столкновениях» (Icarus, 1975) впервые предложили идею о том, что Луна могла образоваться в результате столкновения прото-Земли с крупным небесным телом. В 1976 году канадский геофизик Алан Камерон и американский астроном Уильям Уорд независимо друг от друга пришли к аналогичным выводам, дополнив гипотезу расчётами углового момента.

В 1984 году на конференции «Происхождение Луны» в Коне (Гавайи) гипотеза гигантского столкновения была признана наиболее вероятной. Имя «Тейя» (Theia) для гипотетического ударника было предложено немецким астрономом и популяризатором науки Хансом-Йоахимом Блумом в 2000 году.

¶Современное состояние

На начало XXI века гипотеза гигантского столкновения является доминирующей в научном сообществе. Однако она не лишена нерешённых вопросов, в частности, касающихся изотопного состава лунных пород и динамики выброса вещества.

¶Физические характеристики и орбита

¶Размер и масса

Согласно современным моделям, Тейя имела массу, составляющую от 0,1 до 0,2 массы современной Земли (то есть примерно 0,6—1,2×10²⁴ кг), что соответствует массе Марса (6,4×10²³ кг). Диаметр Тейи оценивается в 6—7 тысяч километров (диаметр Марса — 6 792 км). Плотность, вероятно, была близка к плотности Земли — около 5,5 г/см³.

¶Химический состав

Предполагается, что Тейя состояла из силикатных пород и металлического ядра, аналогично другим протопланетам внутренней части Солнечной системы. Изотопный анализ лунных пород, доставленных миссиями «Аполлон» и советскими автоматическими станциями «Луна», показал почти полное совпадение изотопных соотношений кислорода (¹⁶O, ¹⁷O, ¹⁸O) с земными. Это является одним из главных аргументов в пользу того, что Луна сформировалась из смеси вещества Земли и Тейи, а не из вещества одного тела.

¶Орбита

Тейя, по гипотезе, сформировалась в одной из устойчивых точек Лагранжа системы «Солнце — прото-Земля» — L4 или L5. Эти точки находятся на орбите Земли на 60° впереди и позади неё. В таких точках гравитационное воздействие Солнца и Земли уравновешивается, что позволяет телу оставаться на стабильной орбите. Однако под влиянием гравитационных возмущений от других протопланет (например, Юпитера) Тейя могла покинуть точку Лагранжа и начать сближение с Землёй.

¶Столкновение

¶Динамика

Столкновение произошло на скорости около 4—6 км/с (что значительно меньше скорости падения метеоритов, составляющей 11—15 км/с). Угол столкновения оценивается в 45° к вертикали. Такое касательное столкновение привело к тому, что Тейя не просто слилась с Землёй, а разрушилась, выбросив значительную часть своей мантии и части земной мантии на орбиту.

¶Последствия

В результате столкновения:

• Ядро Тейи, состоящее из железа и никеля, погрузилось в ядро Земли, увеличив его массу.
• Силикатная мантия обоих тел была частично испарена и выброшена в космос.
• Образовался кольцевой диск из расплавленного вещества (силикатной «лавы»), вращающийся вокруг Земли.
• Из этого диска в течение нескольких столетий или тысяч лет аккрецировала Луна.

¶Критические аргументы

Главным противоречием гипотезы является изотопная гомогенность лунных и земных пород. Если бы Луна сформировалась преимущественно из вещества Тейи, её изотопный состав должен был бы заметно отличаться от земного. Однако измерения показывают почти полное совпадение. Современные модели (например, модель «синоптической аккреции») предполагают, что вещество Тейи и Земли было хорошо перемешано в диске, либо что Тейя и Земля сформировались из одного и того же протопланетного облака и имели изначально близкий изотопный состав.

¶Альтернативные гипотезы

¶Множественное столкновение

Некоторые исследователи (например, группа под руководством Р. Канупа, 2012) предполагают, что Луна образовалась не в результате одного, а серии столкновений с несколькими телами размером с Тейю. Эта модель лучше объясняет изотопную гомогенность, но требует более сложной динамики.

¶Гипотеза синоптической аккреции

В 2017 году группа учёных из Гарвардского университета (С. Стюарт и др.) предложила модель, согласно которой после столкновения Земля и Луна долгое время оставались окружёнными общим облаком испарённого силиката (так называемая «синоптическая аккреция»). В этом облаке изотопы перемешивались, что объясняет их идентичность.

¶Значение для науки

Гипотеза о Тейе является ключевой для понимания ранней истории Солнечной системы. Она объясняет:

• Высокий угловой момент системы Земля — Луна (Луна постепенно удаляется от Земли, замедляя её вращение).
• Малый размер лунного ядра (всего 1—2 % от массы Луны, тогда как у Земли — около 30 %).
• Дефицит летучих элементов на Луне (они испарились при столкновении).
• Наклон оси вращения Земли (23,44°), который, вероятно, возник в результате асимметричного столкновения.

¶Источники

• Hartmann, W. K., & Davis, D. R. (1975). Satellite-sized planetesimals and lunar origin. Icarus, 24(4), 504–515.
• Cameron, A. G. W., & Ward, W. R. (1976). The origin of the Moon. Lunar and Planetary Science Conference, 7, 120–122.
• Canup, R. M., & Asphaug, E. (2001). Origin of the Moon in a giant impact near the end of the Earth’s formation. Nature, 412(6848), 708–712.
• Stewart, S. T., & Leinhardt, Z. M. (2012). Collisions between equal-sized bodies in the protoplanetary disk. The Astrophysical Journal, 751(1), 32.
• Wiechert, U., et al. (2001). Oxygen isotopes and the Moon-forming giant impact. Science, 294(5541), 345–348.