Почти не встретились: какую роль могло сыграть столкновение Земли с Тейей

Привет, SE7EN.

В недавней публикации «Облачный атлас: проекты для венерианского воздухоплавания» я привёл ряд аргументов в пользу того, что терраформирование поверхности скалистых планет Солнечной системы осуществимо лишь в очень отдалённом будущем. Дорога к нему пролегает через глобальную экологическую катастрофу на той планете, которую предстоит преобразовать. Однако эти скептические рассуждения вновь подводят меня к вопросу: почему Земля не разделила участь Венеры, не угодила в ловушку неконтролируемого парникового эффекта и не лишилась всей своей воды? Сегодня я продолжу эту тему и расскажу о малоизвестной, но, безусловно, реальной главе в истории нашей планеты: столкновении Земли с телом сопоставимых размеров примерно 4,5 миллиарда лет назад. Вероятнее всего, из обломков этого тела образовалась Луна, а на самой Земле, прежде всего под дном Индийского океана, остались геологические следы того удара, известные как «LLVP» (обширные области с пониженной скоростью сдвиговых волн). Я уже затрагивал эти события в статье «Беспокойный страж. Как Юпитер утряс солнечную систему». О встрече Земли с Тейей на SE7ENе прежде говорили в основном в материалах о происхождении Луны. Описание самого столкновения я нашёл лишь в заметке «Учёные смоделировали образование Луны: она могла появиться за несколько часов после столкновения Земли с другой планетой» уважаемого Александра Тернавского @avouner и в статье «Глубоко под землёй нашли остатки древней планеты» уважаемого @SLY_G. Давайте разберём эту историю подробнее.

Солнце загорелось приблизительно 4,6 миллиарда лет назад. В течение первых 10 миллионов лет существования системы возникли газовые гиганты, а на формирование небольших скалистых планет потребовалось около 100 миллионов лет. В ту пору в Солнечной системе ещё было очень холодно, и по ней по-прежнему кружило множество астероидов, комет и планетезималей. Многие планеты продолжали наращивать массу (сегодня считается, что это происходило путём так называемой «галечной аккреции»), а с 4,1 до 3,8 миллиарда лет назад, возможно, длилась гипотетическая эпоха, известная как «поздняя тяжёлая бомбардировка». Тогда планеты подвергались ударам астероидов и более крупных тел, и именно в это время появилось большинство кратеров, которые мы видим сегодня на Марсе и Меркурии. Скорее всего, в ходе тех же событий родилась и Луна. Ранее я писал на SE7ENе, что Луна необычайно велика по сравнению с Землёй и что, по некоторым оценкам, систему Земля‑Луна можно считать «двойной планетой»; с точки зрения небесной механики эта пара больше всего напоминает Плутон и Харон. Через всё это проходила и молодая Земля: она постепенно расчищала свою орбиту от обломков, набирала массу и подвергалась астероидным бомбардировкам. Тогда-то и случилось катастрофическое столкновение Земли с небесным телом, сопоставимым с ней по массе. Земля уцелела, а второе тело было разрушено. Часть его вещества вплавилась в земную кору, а часть собралась в Луну (возможно, она сформировалась за считаные сутки или даже за часы). Впервые гипотезу о таком теле в 1999 году выдвинул британский геохимик сэр Александер Норман Хэллидей (р. 1952), который оценил размеры этой планеты примерно в четверть земных, то есть как сопоставимые с Марсом.

Тейя — персонаж древнегреческой мифологии, титанида, мать Гелиоса (Солнца), Селены (Луны) и Эос (Зари).

Вероятно, до столкновения с Землёй Тейя была одной из скалистых планет, а её орбита проходила вблизи точек Лагранжа L4 или L5 системы «Солнце‑Земля». В какой-то момент траектория Тейи изменилась из-за сближения с более массивным телом, скорее всего с Венерой. Сегодня невозможно установить, по какому именно пути двигалась Тейя, но, по всей видимости, она находилась в зоне обитаемости.

Согласно этой картине, Луна целиком состоит из остатков Тейи. Но и в земном веществе должны были остаться включения скальных пород разрушенной планеты. В 2023 году группа Аризонского университета под руководством Цянь Юаня опубликовала статью, где связала происхождение крупных областей с пониженной скоростью сдвиговых волн (LLVSP) с Тейей. Эти области носят названия Тузо и Джейсон. Тузо расположена в мантии под Африкой, восточной частью Атлантики и Индийским океаном, а Джейсон — под Тихим океаном.

Эти области известны науке с середины XX века, а их связь с ударом Тейи остаётся предположением. Среди альтернативных объяснений есть «гипотеза тепловых скоплений», по которой такие зоны создаются исключительно напором тепловых мантийных плюмов. Эти плюмы возникают из-за нагрева мантии со стороны ядра: температура мантии составляет около 2000 градусов, тогда как ядро заметно горячее, и в его верхних слоях она, как считается, превышает 4000 градусов.

Более сложная гипотеза объясняет появление этих геологических провинций через термохимические плюмы. В такой интерпретации LLSVP уподобляются резервуарам, образовавшимся в итоге мантийной конвекции и частичного плавления остатков древних литосферных плит. На протяжении миллионов лет этот материал накапливается на границе коры и мантии, дополнительно разогревается химическими реакциями и трением горных пород, а также получает тепло от самой мантии. На фоне этих версий представление о пришлых инопланетных включениях выглядит, безусловно, экзотично, тем более что и Тузо, и Джейсон по площади сопоставимы с целыми континентами.

Тем не менее гипотеза о Тейе научно ценна: породы этой планеты, вероятно, были плотнее земных. Поэтому спустя миллиарды лет провинции Тузо и Джейсон выглядят так, будто обломки Тейи без труда пережили конвекционные процессы и благодаря своему составу опустились в самые глубокие слои земной мантии, а затем через мантийные плюмы обогатили кору осмием, иридием и другими платиновыми металлами. По некоторым оценкам, до 80% африканских кимберлитовых трубок находятся как раз над теми породами, под которыми залегают LLVSP. Существующие модели показывают, что мощность остатков Тейи под Африкой может достигать 350–500 километров.

Ещё одно косвенное свидетельство в пользу контакта Земли с Тейей обнаруживается в Индийском океане: это так называемый «геоидный минимум Индийского океана». Вот как он выглядит на карте:

На площади свыше 3 миллионов квадратных километров уровень океана примерно на 100 метров ниже, чем в соседних районах. Здесь же расположена гравитационная аномалия, которую сравнивают с «воронкой». Эта впадина вызвана заметным локальным ослаблением гравитации. Воронка возникла потому, что под Африканской плитой, напротив, наблюдается избыток массы.

Если разобраться в природе IOGL и корректно её смоделировать, можно прояснить происхождение мантийных плюмов, движение и субдукцию литосферных плит, а также взаимодействие земной коры с верхними слоями мантии. Как известно, наша планета не является идеальным шаром (её точная форма — геоид, о чём на SE7ENе прекрасно рассказала уважаемая Елена Журавлёва @Sovenka. В конечном счёте такая форма Земли сложилась в результате столкновений с малыми небесными телами, прежде всего с метеоритами‑хондритами.

Согласно имеющимся оценкам, от 5% до 10% массы Земли приходится на углистые хондриты — широко распространённый класс метеоритов, бомбардировавших нашу планету. Космохимия чётко разделяет хондриты, содержащие углерод и не содержащие его. Эти два класса метеоритов можно рассматривать как два разных резервуара вещества. Углистые хондриты образовались в удалённых областях Солнечной системы, за снеговой линией, а потому содержали больше воды (в виде льда), органики и летучих соединений.

Пожалуй, такого запаса было бы слишком мало, чтобы на Земле возникли океаны и ледники, которые в своё время могли быть столь обширными, что гипотезу «Земля‑снежок» приходится рассматривать всерьёз. Но в ту же эпоху Тейя тоже притягивала к себе кометы и метеориты, поэтому столкновение, после которого она распалась, а Земля уцелела, могло подарить нам недостающий материал, из которого позднее сложилась наша гидросфера и стала формироваться биосфера. К сожалению, данных об этом процессе слишком мало, чтобы воссоздать его даже в виде компьютерной симуляции. Более масштабная симуляция под названием «Модель Ниццы» построена на трёх статьях, опубликованных в 2005 году, и объясняет, как наша система обрела современный облик. В частности, она учитывает положение главного пояса астероидов и пояса Койпера, распределение планет‑гигантов и то, как они обзавелись многочисленными спутниками. Однако аналогов крупного столкновения Земли с Тейей в нашей системе не наблюдается (за исключением, возможно, события, из-за которого Уран вращается практически лёжа на боку).

В рамках этой статьи модель Ниццы интересна тем, что как раз объясняет, почему Марсу не удалось накопить достаточно воды. Я уже не раз писал на SE7ENе о том, что Марс вполне мог более миллиарда лет обладать океанами и морями, а также о том, как он их потерял. Возможно, именно такой катаклизм, на который указывает гипотеза Тейи, и позволил Земле избежать марсианской участи.

Импактная гипотеза помогает также понять минералогическое разнообразие земной коры. Кимберлитовые трубки, естественно, интересны как источник алмазов, но вместе с ними они вынесли в приповерхностные породы небольшие вкрапления минералов из глубокой мантии — ферропериклаза, бриджманита, разнообразных перовскитов, рингвудита. Подробнее о кимберлитовых трубках можно прочитать на SE7ENе в замечательной статье «От алмаза к бриллианту: через что проходит камень, прежде чем оказаться в украшении» уважаемой Екатерины Чумаковой @CatChum.

Наконец, именно столкновение с Тейей могло либо запустить, либо усилить на Земле движение литосферных плит. По некоторым расчётам, толчком к такому движению мог стать и просто крупный метеорит, однако более детальное исследование Калтеха 2024 года указывает на тесную связь тектоники плит с расслоением мантии, оседанием остатков крупного инородного тела, активизацией субдукции и образованием множества протяжённых вулканических областей на нашей планете.

Источник