Исследователи предполагают, что вскоре после образования, около 4,22 миллиарда лет назад, мантия Луны полностью перевернулась. Плотная расплавленная порода на поверхности должна была перетечь в мантию, а затем вернуться на поверхность в виде потоков лавы. Это явление объясняет асимметрию геохимической структуры и связанные с ней гравитационные аномалии.
Около 4,5 миллиарда лет назад планетарное тело размером с Марс столкнулось с Землей, разорвав большое количество пород в результате события, известного как «гигантский удар». Расплавленные обломки затем собрались и затвердели, образовав Луну.
Однако хотя многие наблюдения согласуются с этой гипотезой, детали того, как именно разворачивалось это событие, остаются частично неизвестными. Согласно образцам, привезенным миссиями «Аполлон», породы на поверхности Луны богаты ильменитом (минералом, содержащим титан и железо), что указывает на удивительно высокую плотность для пород, расположенных на уровне лунной коры. Позднее спутниковые наблюдения показали, что эти породы находятся в основном на видимой (с Земли) стороне Луны. Вопрос о том, как и почему они распределены таким образом, до сих пор оставался без ответа.
С другой стороны, ранее исследователи предполагали, что эти породы образовались из остывшей магмы. В начале своего формирования Луна была полностью покрыта расплавленной магмой. Когда магма остыла, из нее образовалась лунная мантия и темные базальтовые корки, которые формируют лунные моря. Однако распределение пород в мантии совершенно неравномерно.
«Поскольку эти тяжелые минералы плотнее, чем находящаяся под ними мантия, это создает гравитационную неустойчивость, и мы ожидаем, что этот слой опустится глубже в недра Луны«, — объясняет Вейганг Лян в пресс-релизе Аризонского университета. В течение тысячелетий после формирования Луны этот плотный материал опускался в недра и смешивался с мантией, а затем возвращался на поверхность в виде лавовых потоков.
Однако «физических свидетельств, проливающих свет на точную последовательность событий на этом критическом этапе лунной истории, мало, и существует множество разногласий по поводу деталей произошедшего«, — говорит Джефф Эндрюс-Ханна, также исследователь из Университета Аризоны. В новом исследовании, недавно опубликованном в журнале Nature Geoscience, он и его коллеги раскрывают новые подсказки о том, как разворачивался этот процесс.
Видимая сторона Луны с темными областями, покрытыми богатыми содержанием титана отложениями вулканических потоков (в центре), — это привычный вид Луны с Земли (слева). Морской регион окружен многоугольным узором линейных гравитационных аномалий (синий цвет на правом снимке), которые интерпретируются как остатки плотного материала, погрузившегося в недра.
Принципиально несбалансированная структура
Предыдущее моделирование позволило предположить, что богатые ильменитом породы мигрировали к видимой стороне Луны в результате удара крупного астероида о ее дальнюю сторону. В результате этого порода расплавилась и мигрировала прочь от места столкновения. Затем расплавленный материал проник во внутреннюю часть мантии через сеть галерей с геометрическим рисунком, напоминающим листья. Затем плотные скопления расплавленной породы поднялись бы до уровня коры в результате вулканизма. Такая гравитационно неустойчивая конфигурация, вероятно, привела к глобальному перевороту мантии.
В рамках своего нового исследования ученые из Университета Аризоны сравнили результаты моделирования с данными о гравитационных аномалиях, собранными миссией НАСА Gravity Recovery and Interior Laboratory (GRAIL). Эти данные, собранные в 2011-2012 годах в регионах, окружающих лунные моря, свидетельствуют о значительном изменении плотности пород.
Схематическая иллюстрация, включающая карту гравитационного градиента видимого лица Луны и поперечный разрез, показывающее два выхода расплавленной породы, содержащей ильменит, в лунную мантию.
Эксперты обнаружили, что гравитационные сигнатуры, зафиксированные миссией GRAIL, согласуются с моделированием, указывающим на смещение ильменитового слоя и глобальное переворачивание лунной мантии. «Материал ильменита мигрировал на видимую сторону и каскадом уходил вглубь, оставляя после себя остатки, которые вызвали аномалии в гравитационном поле Луны, как показано GRAIL«, — объясняет Лян. По оценкам команды, это событие произошло около 4,22 миллиарда лет назад, вскоре после того, как Луна начала формироваться.
Диаграмма, показывающая изменения внутри Луны: зеленым цветом показаны ильменитовые скопления, коричневым — тепловая аномалия, возникшая в результате гигантского удара.
В целом эти результаты подтверждают, что структура Луны принципиально несбалансирована. Остатки событий, приведших к этому дисбалансу, хорошо видны в ее гравитационном распределении. Однако структура сетей просачивания плотных пород и точные геологические процессы, приведшие к этой миграции, остаются неясными.
