Тейя – гипотетическая планета Солнечной системы, по размерам и массе близкая к Марсу. Ее существование следует из того факта, что Луна, по своему изотопному составу близкая к Земле, в основном «сделана» из земного материала, что возможно только при осколочном сценарии ее формирования. В его рамках требуется сторонняя планета значительных размеров, которая при столкновении с Землей выбила бы из нее достаточно материала для формирования Луны на околоземной орбите.

Исследователи использовали в своей работе сценарий «Великого лавирования», в рамках которого землеподобные планеты не могли сформироваться за орбитой Марса. Это ограничивает район происхождения Тейи регионом между орбитами Венеры и Марса, и не позволяет оценивать ее массу существенно выше массы Марса.

Несмотря на то, что сегодня именно гипотеза Тейи в западной литературе является доминирующим сценарием образования Луны, у нее есть и альтернативы, в частности концепция Эрика Галимова, директора Института геохимии и аналитической химии Вернадского.

Исследователи во главе с Томасом Майндлем (Thomas Maindl) из Венского университета провели моделирование столкновения Земли и Тейи, более четырех миллиардов лет назад породившего Луну и пришли к выводу, что скорее всего Тейя до столкновения была четвертой планетой Солнечной системы, а ее орбита находилась между сегодняшними орбитами Марса и Земли. Соответствующая работа направлена в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Ученые использовали две модели ранней Солнечной системы – одну, в которой Тейя была помещена между орбитами Венеры и Земли (0,80-0,94 астрономических единиц, 1 а.е. равна 150 миллионам километров), и другую, в которой она была размещена между Землей и Марсом (1,06-1,40 а.е.).

Проанализировав вероятность того, что Тейя сойдет со своей орбиты и столкнется с Землей, группа Майндля пришла к выводу, что для первой модели такая ситуация хотя и возможна, но примерно вдвое менее вероятна, чем для сценария образования Тейи между Марсом и Землей. В последнем случае вероятность столкновения составляла 28,72 процентов для орбит между 1,060 и 1,350 а.е.

Вероятность столкновения Земли и Тейи, расположенной на орбите между Венерой и нашей планетой, не превышала 14,56 процентов для всего диапазона возможных квазистабильных орбит. Среди причин большей устойчивости «околовенерианских» орбит – меньшее влияние сторонних гравитационных сил, в частности, тяготения Юпитера и Сатурна.

На основании проведенного анализа авторы полагают, что наиболее вероятный регион рождения Тейи, где она провела несколько десятков миллионов лет перед тем как столкнуться с Землей, соответствует орбите четвертой планете Солнечной системы, примерно между 1,06 и 1,165 а.е. Эта же группа орбит в их моделировании получилась наименее устойчивой не только для частного случая (сход с орбиты в сторону Земли), но и для общего случая, при котором Тейя вообще покидает эту орбиту, вне зависимости от направления ее движения.

Только для этого диапазона орбит суммарная вероятность того, что Тейя со временем будет либо выброшена из Солнечной системы, либо столкнется с Землей превышала 50 процентов. Наиболее нестабильной, согласно расчетам группы Майндля, является орбита в 1,16 а.е., которую они и полагают лучшим кандидатом на роль района образования Тейи. Таким образом, в их модели именно она первоначально была четвертой планетой Солнечной системы и лишь после столкновения с Землей потеряла этот статус.

Новый анализ образцов лунного грунта показал, что под поверхностью спутника могут скрываться остатки древней планеты Тейя, столкновение которой с Землей и привело к появлению спутника.

Считается, что около 4,5 миллиарда лет назад на Землю налетело небесное тело размерами приблизительно с Марс. Энергия удара разрушила, расплавила и смешала их, а часть обломков была выброшена в космос и со временем сформировала Луну. Так описывает ее происхождение самая популярная сегодня «ударная» гипотеза. У возможного виновника катастрофы даже есть свое название – Тейя, – только вот никаких следов погибшей планеты обнаружить пока не удается.

Расчеты предсказывают, что до сих пор Луна должна на 70-90 процентов состоять из вещества, оставшегося от Тейи. На него могло бы указать другое содержание изотопов кислорода, которое зависит от размеров орбиты небесного тела. Изотопный состав лунного грунта, доставленного пилотируемыми экспедициями, действительно оказался непохожим на состав других объектов Солнечной системы, зато с Землей практически совпадает.

Объяснение этому ищут до сих пор. Возможно, Земля и Тейя изначально сформировались в общей области и имели близкий изотопный состав или же во время столкновения могли полностью расплавиться и перемешаться. Однако статья, опубликованная в журнале Nature Geoscience, снимает эту проблему. Ее авторы провели новый, особенно тщательный анализ изотопного состава лунного грунта.

Команда профессора Университета Нью-Мексико Эрика Кано (Erick Cano) получила небольшие образцы, собранные на различных участках поверхности спутника – от темных базальтовых «морей» до плаксиоглазов, поднятых с глубины давно затихшими вулканическими процессами. Усовершенствованные методы анализа показали, что вещество из разных участков характеризуется различным изотопным составом.

Прежде эти особенности ускользали от ученых, к тому же для оценки они просто усредняли характеристики для всех проанализированных образцов. Однако внимательный анализ Эрика Кано и его коллег показал, что чем глубже формировалась порода, тем больше тяжелых изотопов кислорода она содержит – и тем сильнее отличается этим от земных пород. Такое возможно в случае, если наружные слои Луны образовались из перемешанного расплава Земли и ударившей ее планеты, однако под этой «корой» сохранилось вещество древней Тейи.

Судя по повышенному количеству тяжелых изотопов, Тейя могла сформироваться на более далекой от Солнца орбите и лишь затем, выбитая со своей траектории случайной игрой сил гравитации, сблизилась и столкнулась с нашей еще тогда молодой планетой. «Эти результаты снимают необходимость в механизме полного перемешивания изотопов кислорода», – резюмируют Эрик Кано и его соавторы. Возможно, готовящиеся после долгого перерыва новые пилотируемые миссии к Луне доставят новые образцы, и более точный анализ подтвердит эти выводы.

Мы точно не знаем, как появилась Луна. Согласно популярной гипотезе, давным-давно Земля столкнулась с планетой размером с Марс, а из обломков сложился наш спутник. Вот только тут кое-что не сходится.

Гипотезу о мегастолкновении Земли и планеты Тейи выдвинули американцы Хартман и Дэвис в 1975 году. В те далекие времена в Солнечной системе было известно два типа спутников: те, что радикально меньше своих планет (Фобос и Деймос около Марса, спутники газовых и ледяных гигантов), и Луна. Она была единственным спутником, масса которого составляла более процента от массы ее планеты.

Странность Луны требовала нестандартного объяснения, откуда она взялась. Прежние догадки были несколько наивными и легко опровергались. Например, сын Чарльза Дарвина предполагал, что когда-то Земля вращалась быстрее и от нее отвалился громадный кусок.

Эта и ей подобные гипотезы плохо объясняли то, что железное ядро Луны в сравнении с Землей небольшое, а воды там, как считалось, нет.

На самом деле, на тот момент вода в лунной породе уже была обнаружена: она содержалась в грунте (реголите), доставленном на "Аполлонах". Находку списали на земные загрязнения или метеориты. Показания детекторов ионов, зафиксировавших воду рядом с "Аполлонами", также списали на земное загрязнение. Ученые отвергали эмпирические факты, поскольку те не стыковались с тогдашними теориями происхождения Луны.

Во всех этих теориях Луна сперва расплавлялась, из-за этого она должна была потерять воду. Наука того времени предполагала только один вариант попадания воды на Луну – с кометами. Но в кометной воде другое соотношение водорода и его тяжелой разновидности – дейтерия, а в воде, найденной на Луне американцами, соотношение этих изотопов было таким же, как на Земле. Несоответствие проще всего было объяснить загрязнением.

Однако оставалось непонятно, почему в реголите содержится меньше титана и других сравнительно тяжелых элементов. Тогда-то родилась гипотеза мегаудара (мегаимпакта). По ней, 4,5 млрд лет назад древняя планета Тейя столкнулась с Землей, и сверхмощный удар выбросил в космос обломки обеих планет – из них со временем сформировалась Луна. Верхние слои Земли содержат мало тяжелых элементов, потому что большая часть опустилась вниз, в ядро и нижние слои магмы. Якобы этим обусловлено отличие лунного грунта.

Получалось, что земной спутник был не первичным, как, например, у Юпитера, а вторичным – вдобавок снимался вопрос о том, почему масса Луны так велика в сравнении с массой самой Земли. Также гипотеза американцев объясняла, почему на Луне совсем нет воды: при столкновении планет обломки должны были разгореться до тысяч градусов – вода просто испарилась и улетела в космос. Другое дело, что после полетов "Аполлонов" представление о безводной Луне было упорным игнорированием фактов.

Гипотеза выглядела просто отлично целых три года. Но уже в 1978 году был открыт Харон – спутник Плутона. Если Луна по массе в 80 раз уступает Земле, то Харон легче Плутона всего в девять раз. Получалось, в Луне нет ничего уникального. Появились сомнения: крупные планеты, скорее всего, сталкиваются слишком редко, чтобы появилось столько больших спутников.

Новые неудобства принес анализ лунных пород в лабораториях и первые данные по метеоритам инопланетного происхождения. Выходило, что изотопно Луна неотличима только от Земли, а все остальные планеты Солнечной системы явно другие. Как это получилось, если в составе Луны якобы есть вещество другой планеты – гипотетической древней Тейи? Чтобы объяснить противоречие, гипотезу мегаудара доработали: местом рождения Тейи стали считать... земную орбиту – поэтому-то изотопный состав обеих планет одинаков. В одном месте сформировалось сразу две планеты, которые потом столкнулись.

Но было непонятно, почему на земной орбите планет возникло две, а на орбитах других планет системы – по одной. Добавили проблем и геологи. Возник еще один вопрос: если мегастолкновение двух планет раскалило Землю и ее обломки, откуда на планете вообще взялась вода? По всем расчетам она должна была испариться.

Теория мегаудара уже стала крайне популярной, отказываться от нее не хотели, поэтому была выдвинута идея, что вода на Земле появилась позже – ее принесли кометы, падавшие на планету миллиарды лет.

Но вскоре обнаружилось, что соотношение изотопов водорода и кислорода в кометной воде сильно отличается от земной. Более похожа на земную вода с астероидов, но на них ее очень мало, то есть быть источником наших океанов они не могут.

Наконец, в XXI веке на Луне стали находить следы воды. А когда сторонники мегаударной гипотезы предположили, что воду эту принесли кометы, то голландские геологи показали, что лунные породы вообще не могли образоваться в нынешнем виде без присутствия воды с самого начала образования спутника. Усугубили ситуацию российские астрономы: по ним, типичное столкновение кометы с Луной ведет к вылету более 95% воды обратно в космос.

Гипотеза о том, что около 4,5 млрд лет тому назад небесное тело размером с Марс столкнулось с недавно сформировавшейся Землей, стало его частью и породило жизнь, а его осколок стал Луной, до сих пор не имела никаких подтверждений. Ученые впервые обнаружили убедительные доказательства этого события.

Модель ударного формирования Луны – одна из распространенных гипотез формирования спутника Земли в результате столкновения с Тейей, объектом, приблизительно равным по размеру Марсу. Некая протопланета, сформированная где-то в Солнечной системе, врезалась по касательной в Землю. Из осколков образовалась Луна, а наша планета получила прирост скорости вращения и наклон оси.

Тем не менее, у теории гигантского столкновения есть серьезный недостаток. Если верить этой модели, около 70% – 90% Луны должно состоять из деформированной Тейи. А изотопы кислорода в лунных образцах, доставленных американскими астронавтами, были идентичны земным изотопам – и существенно отличались от изотопов кислорода, найденных на других объектах Солнечной системы.

Одно из возможных объяснений гласит, что Земля и Тейя обладали схожим составом. Другое – что во время удара все перемешалось, однако, судя по моделям, это маловероятно. Более того, вероятность того, что у Тейи настолько близкий к земному состав элементов, крайне низкая. Это значит, что если Луна по большей части состоит из Тейи, то изотопы кислорода у нее должны отличаться от земных.

Для того чтобы разрешить это затруднение, планетолог Эрик Кано и его коллеги провели тщательный повторный анализ лунных образцов. Они взяли различные типы породы: базальты с высоким и низким содержанием титана из лунных морей, анортозиты с возвышенностей, нориты из глубин и вулканическое стекло. И модифицировали стандартную технологию изотопного анализа.

Результаты показали отличия от предыдущих данных. Оказалось, что метод, игнорирующий литологические различия образцов, не давал точной картины. И чем глубже происхождение породы, тем тяжелее изотопы кислорода, по сравнению с земными.

Это различие можно объяснить только если внешняя поверхность Луны была превращена в пыль и смешалась во время удара. Но глубоко внутри лежат относительно неповрежденными остатки Тейи, и ее изотопы кислорода остались почти прежними.

Компьютерное моделирование, которое несколько лет назад провели астрофизик из Гарварда (Harvard University) Саймон Лок (Simon Lock) и планетолог из Калифорнийского университета (University of California) Сара Стюарт (Sarah Stewart), продемонстрировало: Тейя и Земля столкнулись с такой силой, что слились в одно космическое тело – в так называемый синестий. Образовавшаяся смесь приняла форму пончика – объекта пусть и не совсем уж плоского, но сильно сплющенного. И горячего.

Слившиеся планеты пробыли пончиком-синестием совсем недолго по космическим меркам. Примерно через 100 лет от него откололся кусок, который сформировал шар Луны. Из оставшегося материала получился земной шар. Объекты заняли свои места, на которых находятся и поныне.

Результат, полученный Сарой и Саймоном, свидетельствует в пользу теории, согласно которой Луна «отпочковалась» не от одной лишь Тейи и не от одной лишь Земли, а от пончика, замешенного из материала двух планет.

Ведь как выяснилось, изотопные составы лунного и земного грунта одинаковы. Ученые обнаружили это, сравнив образцы, доставленные с Луны экспедициями «Аполлон», с теми, которые были собраны на Земле в районах с активной вулканической деятельностью.

В 2020 году британские ученые, которыми руководил Джейкоб Кегеррейс (Jacob Kegerreis), начали моделировать по-своему, подключив к процессу американских коллег из NASA (BAERI/NASA Ames Research Centre) и Вашингтонского университета (University of Washington). О результатах отчитались два раза – в июле и в сентябре. И в конце-концов опубликовали их в журнале Astrophysical Journal Letters.

Дознаватели «прокрутили» около 300 различных вариантов ДТП. Но до появления Луны пока не "докрутили". Сосредоточились на сиюминутных последствиях. Смотрели, как они меняются в зависимости от угла, под которым одна планета врезалось в другую, от скорости столкновения и от размеров планет. Увидели, что в любом случае страдает атмосфера Земли. В худшем – лишается 60 процентов своей газовой оболочки. То есть, воздуха на нашей планете могло быть больше, если бы она не обзавелась Луной.

Ученые продолжают моделирование в надежде увидеть все-таки итог – формирование Луна. По словам Джейкоба Кегеррейса, нынешние – промежуточные результаты «помогут сузить количество вероятных сценариев образования Луны».