Луна, безусловно, является самым ярким и самым большим объектом, видимым человеческим глазом в ночном небе Земли. По сравнению с Венерой, следующим по яркости объектом, Луна в тридцать раз больше в диаметре, занимает почти в 1000 раз большую площадь поверхности и выглядит примерно в 1 000 000 раз ярче. Более того, Луна не кажется нам однородным диском, и демонстрирует явные различия от места к месту по всей поверхности, даже если смотреть на неё невооружённым глазом с Земли.
Невооружённым глазом эти различия могут выглядеть просто как яркие и тёмные пятна: так называемый «человек на Луне» — самая простое, что можно разглядеть. Но если вы посмотрите в телескоп, то увидите не только тёмные пятна, выделяющиеся на фоне более ярких участков, но и горные хребты, кратеры с высокими стенами и лучами, расходящимися от них, и теневой рельеф вдоль границы ночного дня, лунного терминатора.
Хотя эти особенности могут быть вам знакомы, все они содержат подсказки о древней истории Луны и могут помочь нам понять, почему «лицо» Луны, которое мы видим, не сообщает нам полной картины о нашем спутнике.
Даже разглядывая Луну в обычный бинокль или самый дешёвый телескоп, вы не сможете не заметить две её основные особенности:
- Луна плотно покрыта кратерами, причём на светлых участках, как правило, кратеров больше, чем на тёмных. Во многих случаях можно увидеть маленькие кратеры внутри средних кратеров внутри гигантских кратеров – из чего следует, что большие кратеры настолько старые, что на их месте образовались новые, более мелкие.
- На ней есть тёмные области, известные как моря (лат. maria), в которых относительно мало кратеров меньшего размера. Эти области примечательны тем, что их цвет и состав значительно отличаются от цвета и состава большей части Луны.
Луна всегда обращена к нам одной и той же стороной, но различные части лунного полушария немного по-разному освещаются в течение месяца в зависимости от взаимного расположения Земли, Луны и Солнца.
Кроме того, поскольку орбита Луны эллиптическая, и спутник и движется быстрее, когда находится ближе всего к Земле, и медленнее, когда он дальше всего, то видимая часть Луны незначительно меняется — это явление известно как лунная либрация. Хотя это означает, что в течение нескольких месяцев мы можем увидеть до 59% Луны, первые фотографии дальней стороны Луны дальней стороны Луны мы получили только 63 года назад, когда её облетел советский космический корабль “Луна-3».
Хотя качество снимков не было впечатляющим, они были замечательными по другой причине: оказалось, что ближняя сторона Луны значительно отличается как по кратерам, так и по морям от дальней стороны, которая всегда обращена от нас. Это открытие стало настоящим шоком, и на протяжении десятилетий, даже по мере улучшения качества снимков и понимания этой неуловимой стороны нашей ближайшей соседки по планете, мы не могли найти объяснения, почему эта разница вообще существует.
Оригинальное изображение дальней стороны Луны, полученное в результате полёта советского космического аппарата «Луна-3» (A), и его современная цифровая реставрация (B) в сравнении с современным изображением дальней стороны Луны, полученным с космического аппарата НАСА Lunar Reconnaissance Orbiter ©
Каковы же главные различия между ближней и дальней сторонами?
Что сразу бросается в глаза, так это почти полное отсутствие тёмных морей на дальней стороне. Есть одно заметное море на северном полушарии Луны, но оно небольшое. Возможно, в южном полушарии есть несколько более мелких морей, соединённых между собой, но ни одно из них нельзя назвать таким широким, глубоким или размашистым, как моря на ближней стороне Луны. Так что моря на ближней и дальней сторонах отличаются значительно.
Возможно, второе, что вы увидите, — это то, насколько сильнее и плотнее дальняя сторона покрыта кратерами. Поскольку большая площадь поверхности лишена морей, там больше участков, которые кажутся более старыми и сильно кратерированными. В результате на дальней стороне видно больше кратеров с лучами, исходящими от них и даже пересекающими друг друга.
Хотя впервые это было обнаружено ещё в 1959 году, потребовалось очень много времени, чтобы найти ответ на эту загадку. Видите ли, есть очевидное объяснение, возникшее сразу — возможно, вы даже сами до него додумались, — но оно в итоге оказалось неверным.
Наш опыт говорит нам, что Солнечная система полна опасных комет и астероидов, периодически падающих в ближайшие окрестности нашей звезды. Когда дела у внутренних миров идут хорошо, мелкие небесные тела дарят нам красивые зрелища — такие как хвостатые кометы и метеоритные дожди. Но когда дела идут плохо, одно из этих крупных тел врезается в другое, что приводит к катастрофическим последствиям, а если на попавшем под раздачу мире есть жизнь — к её потенциальному вымиранию.
«Очевидное» объяснение заключается в том, что когда эти массивные космические булыжники направляются к Луне с дальней стороны, им ничто не мешает, и каждый объект, который мог бы удариться об неё, обязательно так и сделает. Но когда объект приближается к Луне с ближней к нам стороны, на его пути оказывается Земля, действующая как щит от объектов, которые в противном случае столкнулись бы с ближней стороной Луны. При этом Земля может либо поглотить эти удары, либо гравитационно отклонить потенциальные ударные объекты в сторону от Луны.
Это очевидное объяснение.
Но если подробнее рассмотреть, как работает система Земля-Луна, останется ли это объяснение хоть сколько-нибудь убедительным?
Идея сама по себе неплохая, однако если учесть, что расстояние между Землёй и Луной примерно в сорок раз больше, чем диаметр Земли, получится, что разница в количестве ударов на ближней и дальней сторонах Луны должна составлять менее 1% — это чистая математика. Кроме того, на дальней стороне примерно на 30% больше кратеров, и эту огромную разницу невозможно количественно объяснить эффектом гравитационного отклонения.
Моря и кратеры ближней стороны Луны
Кроме того, эта версия не объясняет различия в количестве и размерах морей на ближней и дальней сторонах. Считается, что возникли они не из-за столкновений; они появились в результате прорыва базальтовых лавовых потоков. Тот факт, что Земля обеспечивает небольшую планетарную защиту ближней стороны Луны, просто не может объяснить эту особенность.
Так чем же объясняются различия между ближней и дальней сторонами? Ответ, как оказалось, всё-таки связан со столкновениями с космическими объектами — только не с кометами и астероидами.
По сравнению со всем, что пережила наша планета за последние 65 миллионов лет, астероид, уничтоживший динозавров, был очень большим. Он был примерно 5-10 км в поперечнике, или размером с очень большую гору. Но если мы вернёмся на 4,55 миллиарда лет назад, то узнаем, что удар, породивший кратер Чикшулуб был далеко не самым крупным столкновением в истории Земли.
Мы были не в курсе этого, пока не привезли камни с Луны и не обнаружили, что они состоят точно из того же материала, из которого состоит Земля! Это стало большим сюрпризом, потому что ни одна другая луна/планета-компаньон в Солнечной системе — ни Юпитер и его луны, ни Марс и его луны, ни Сатурн и его луны — не похожи друг на друга. Почему так произошло?
Примерно 4,5 миллиарда лет назад, когда Солнечная система была ещё в зачаточном состоянии, Земля была в основном сформирована и имела уже около 90-95% от своей нынешней массы. Но существовал ещё один очень большой планетоид размером с Марс, который находился на орбите, почти идентичной земной. В течение десятков миллионов лет эти два объекта неустойчиво танцевали, то удаляясь друг от друга, то приближаясь друг к другу. И вот, наконец, примерно через 50 миллионов лет после образования Солнечной системы они столкнулись друг с другом.
Подавляющее большинство массы обеих протопланет образовало Землю, а большое количество обломков было выброшено в космос. Со временем значительная часть этих обломков гравитационно сгруппировалась и образовала Луну, а остальные обломки либо упали обратно на Землю, либо улетели в другие части Солнечной системы. Как бы безумно ни звучала эта теория сначала, когда её впервые выдвинули в 1970-х годах — за последние 40 лет она стала общепринятой, и подтверждается многими наблюдаемыми явлениями, соответствующими её предсказаниям. Кроме того, теперь есть доказательства того, что луны вокруг других каменистых миров, таких как Марс и Плутон, вероятно, также образовались в результате мощных столкновений.
Это столкновение должно было произойти очень рано в истории Солнечной системы, и Земля в момент столкновения была ещё очень горячей: около 2 700 Кельвинов! Луна первоначально образовалась из диска обломков, которые попали на очень горячую Землю во время её формирования. Есть несколько деталей, в которых мы уверены:
- Луна, вероятно, изначально была расположена гораздо ближе к нам,
- она, вероятно, попала в приливный захват через очень короткое время после образования, ~100 000 лет или меньше,
- и, возможно, даже родилась уже в приливном захвате, потеряв избыточный угловой момент вращения ещё до завершения своего формирования.
Эта последняя деталь в настоящее время не подтверждена, но с большой вероятностью всё так и было. А если так, то наличие дополнительного источника тепла (Земли) в непосредственной близости оказывало большое влияние на то, какие материалы оказались доступными Луне в процессе её формирования с разных сторон — со стороны, обращённой к Земле, и со стороны, удалённой от Земли.
Только в 2014 году, через целых 55 лет после того, как мы впервые увидели дальнюю сторону Луны, в исследовании Арпиты Рой, Джейсона Райта и Стейнна Сигурдссона была собрана полная история и представлены необходимые доказательства в её поддержку.
Чтобы продемонстрировать потенциал этого объяснения, они сделали нечто интересное. Они рассмотрели событие, которое создало раннюю систему Земля-Луна, и проследили возможные пути её физической эволюции. Сама Луна формируется из околопланетного диска обломков, который окружает Землю. Если Земля очень горячая, то определённые элементы будут истощаться тем быстрее, чем ближе к Земле они находятся: такие, например, как кальций и алюминий. Другими словами, тепло, исходящее от ранней Земли, создаёт химический градиент внутри диска, что приводит к различиям в составе той стороны Луны, которая ближе к Земле, и той, которая дальше от Земли.
Очень сильные приливные силы со стороны Земли (Земля примерно в 70 раз массивнее Луны) и то, что Луна в прошлом была ближе к Земле, могли легко привести к тому, что Луна сформировалась уже предварительно «прикреплённой» к Земле. Если это так, то большее содержание кальция и алюминия в дальней части околопланетного диска должно привести к более толстой коре на дальней стороне Луны по сравнению с ближней стороной.
Таким образом, химический/композиционный градиент протолунного диска в процессе формирования Луны мог сохраниться сегодня в виде различий между двумя полушариями Луны. Если бы Луна вращалась быстро, как туша на вертеле, это было бы невозможно; но если Луна пережила практически мгновенную приливную синхронизацию с Землёй, это было практически неизбежно.
Моря, которые мы видим, свидетельствуют о лавовых потоках, возникших гораздо позже — когда расплавленная порода стекала в большие бассейны и низины на лунной поверхности. Если ближняя сторона сформировалась с более тонкой корой и составом, отличным от дальней стороны, это объясняет, почему даже спустя миллиарды лет эти две стороны выглядят так по-разному: с разными размерами и количеством морей на них.
Поскольку эти тёмные лунные моря затвердели гораздо позже, легко понять, почему они гораздо менее сильно покрыты кратерами, чем лунные возвышенности, которые были твёрдыми в течение долгого времени. Когда поверхность покрыта жидкостью, любые следы ударов стираются, или же эти тела просто поглотят моря расплавленной лавы. Как метеоры, падающие в земные океаны, так и тела, падавшие в древние лавовые океаны Луны, не оставляют никаких следов.
Исследование показало, что просто наличие горячей ранней Земли вблизи Луны во время её формирования — элементарное добавление этого источника тепла, действовавшего с одной стороны — могло создать разницу в толщине коры, а также различия между двумя сторонами по химическому составу пород и количеству химических элементов в них.
Наконец-то, после более чем полувекового размышления над загадкой дальней стороны Луны, мы можем с уверенностью сказать не только о том, как образовалась Луна, но и о том, почему две её стороны настолько разные! Мы знаем, что Луна светит, отражая свет Солнца, но кто бы мог подумать, что именно молодая Земля, ярко и горячо светившаяся на лунном небосклоне, сделала две её стороны такими разными?
И все же именно такое объяснение работает лучше других. Какой бы дикой или необычной ни была ваша идея — если её свойств достаточно, чтобы объяснить то, что мы наблюдаем, она может оказаться именно той идеей, которая необходима для решения любой загадки, которую вы рассматриваете. Таковы чудеса и радости, которые дарит нам наука, а также острые ощущения, связанные с раскрытием секретов нашей реальности.
