«А король-то голый!» - сказочная лунная история

17.01.2017 12:11
Автор: don-beaver.livejournal.com
Красавица-студентка Ралука Руфу из Израиля вместе со своим профессором Одедом Ааронсоном и соавтором Хагаи Перецом совершили немыслимое: в первые дни 2017 опубликовали в Nature-Geoscience статью об мульти-импактном образовании Луны.
«А король-то голый!» - сказочная лунная история
http://www.nature.com/ngeo/journal/vaop/ncurrent/full/ngeo2866.html
Суть статьи: Луну можно сделать не одним большим, а многими более умеренными ударами. В статье рассматривается последовательность из 20 ударов тел в 0.1-0.01 от массы Земли, которые создают 20 лун, а потом они сливаются в одну большую Луну. Отметим, что Nature поступила осторожно и после статьи Руфу-Ааронсона-Переца опубликовало скептическую и довольно несерьёзную статью Коллинса, который после исторической справки и пересказа работы Руфу и др., высказал лишь пару голословных и несущественных замечаний. http://www.nature.com/ngeo/journal/vaop/ncurrent/full/ngeo2880.html
Например, он высказал опасение, что какие-то из 20 лун могут потеряться. Видно, что Коллинс, специалист по кратерообразованию и не специалист в небесной механике, совершенно не понимает, насколько невозможно выбросить из системы Земли спутник, аккреционно сформировавшийся на круговой орбите и имеющий диаметр более тысячи километров (Луна имеет диаметр в 3.4 тысячи). Даже уронить его на Землю немыслимо сложно. Если он не войдет в Луну, то останется на своей орбите – и мы его непременно заметили бы!
О мульти-импактной статье в Nature зашумела мировая пресса, включая «Вашингтон пост», «Нью-Йоркер», «Популярная механика» и т.д. Вейцмановский институт сделал видеоролик с моделью
http://wis-wander.weizmann.ac.il/space-physics/multiple-impact-origin-moon.
Это конец «ступора мегаимпакта», о котором я писал в «Науке и жизни» в 2015 http://don-beaver.livejournal.com/164229.html, а также в приложении к книге «Челябинский суперболид» в феврале 2016 года и в «Life» в ноябре 2016 года https://life.ru/935306. Очень существенно, что пресса такого уровня не ограничивается пересказом истории, она вызывает «на ковёр» публичности главных действующих лиц и заставляет их высказываться. Так и Вашингтон-Пост опросил Сару Симмонс, которая активно работает в области осторожных модификаций мегаимпакта https://www.pressreader.com/usa/the-washington-post/20170111/281569470416287.

Она сказала “Вся теория мегаимпакта оказалась в кризисе несколько лет назад, и люди стали думать, что может быть она полностью неверна, потому что мы не можем заставить работать её в важных моментах». (Поясню, что речь идет в первую очередь о геохимических противоречиях - НГ). Журналист пишет, что учёные стали добавлять новые предположения, чтобы разрешить космохимические проблемы – может Тея была химически идентична Земле? может столкновение испарило оба тела – и потом они скондесировались в современные планету и спутник? Но «Каждый такой трюк делал теорию мегаимпакта еще более невероятной». Сара соглашается: «Если вы делаете это слишком часто, то все начинают чувствовать неловкость». А «Нью-Йоркер» призвал к ответу Роберту Кануп, лунную гранд-даму, которая больше всех возилась с теорией мегаимпакта, унавоживала эту плодородную грядку, старательно охраняла её от набегов чужаков – и собрала с неё немалый урожай. Вот что она вынуждена была сказать: “I applaud the group,” Canup said. “They’ve convinced me that maybe it’s now worth considering. Suddenly, the multiple-impact scenario looks equally probable—or improbable, depending on your perspective.” – «Я апплодирую группе. Они убедили меня, что может быть это стоит рассмотреть. Внезапно, мульти-импактный сценарий стал выглядеть одинаково вероятным [с теорией мегаимпакта] – или невероятным – в зависимости от вашей точки зрения». Это слово «внезапно» чрезвычайно милое! Мы рассмотрим ниже степень этой "внезапности".

Итак, снят барьер перед публикацией мультимпактных теорий – и они, полагаю, не замедлят появится. Совершенно понятно, что верить конкретным утверждениям статьи в Nature насчет 20 тел никакого смысла нет: в космосе распределение тел подчиняется обратному кубу от радиуса тел. Значит, на Землю упало кроме нескольких крупных тел еще сотня тел диаметров в тысячу километров и примерно сто тысяч тел с диаметром в 100 километров. Поэтому никакого перерыва в выбросе вещества земной мантии в космос не было и конкретная динамика образования Луны будет весьма отлична от описанной. Но бесспорно, что она будет мульти-импактной.

Хочу отметить, что у меня существует предварительная договоренность с издательством о публикации после шестой книги научных сказок о победах мировой науки, седьмой книги «13 научных приключений» - о научных проблемах, которыми я занимался сам. Одно из приключений – это образование Луна и двойных астероидов. Что же набросаю для этой лунной главы главные этапы этой истории, которая приблизилась к своему логическому завершению.

Теория мегаимпакта для Луны была предложена Хартманном и Дэвисом в 1975 г. и быстро стала сверхпопулярной. Но еще в 1989 году видный специалист Рингвуд, на статью которого ссылаются авторы Nature, опубликовал в европейском журнале Earth and Planetary Science Letter статью с красноречивым названием «Изьяны в мегаимпактной гипотезе лунного образования», в которой привел три аргумента, совершенно убийственных для любой обычной теории (к которой, увы, теорию мегаимпакта отнести было нельзя, она была уже канонизирована):
1. Вероятность такого гигантского столкновения мала.
2. Такой мегаимпакт вызвал бы расплавление и гравитационную дифференциацию Земли, что привело бы к геохимическим свойствам земной коры, заметно отличающимся от наблюдаемых.
3. Мегаимпакт приводит к тому, что Луна создается в основном из мантии налетающего тела, в то время как геохимические факты утверждают, что лунный материал произошел из земной мантии.
Хочу подчеркнуть, что все три возражения сохранили свою силу до сих пор, разве что третье значительно усилилось из-за изотопных исследований. В заключение Рингвуд предлагает строить Луну с помощью ударов более мелких тел с массой 0.001-0.01 от массы Земли. Предложение Рингвуда, автора известной книги «Происхождение Земли и Луны» (переведена на русский в 1982 году в издательстве «Недра») было проигнорировано. Правда, он был не американец, а всего лишь австралиец. Коллинс, упоминая предложение Рингвуда об мультиимпактной теории образования Луны, пишет «Но было неясно, смогут ли такие удары сформировать достаточно большие спутники для последующего образования Луны». Но, к сожалению, Коллинс не пишет, какие могучие причины помешали многочисленным лунным теоретикам проверить эффективность такой мульти-импактной модели за 28 лет, прошедших после статьи Рингвуда. Ведь в ней ничего принципиально сложного не было. Почему только израильская студентка оказалась способна на такой подвиг?

Не наука, а детский сад. Штаны на лямках, руки в чернилах и полные карманы взаимного хирша.

Как я попал под влияние Луны? В 1995 году я стал соавтором обзора Прокофьевой, Таращук и Горькавый в УФН о спутниках астероидов. После чего я почувствовал неудовлетворенность, потому что понимания, как образовались спутники астероидов, не было. Почти десять лет прошло, пока я осознавал суть этого процесса. В 2004 году я опубликовал краткий абстракт в Бюллетене Американского астрономического общества, перевожу его целиком:
http://adsabs.harvard.edu/abs/2004DDA....35.0711G

Новая модель образования Луны

"Новая модель объясняет происхождение Луны, Харона и двойных астероидов без катастрофических событий. Основные элементы новой модели: 1. Большая часть материала Луны была доставлена из мантии Земли многими ударами крупных (1-100 км) астероидов. Это объясняет низкое содержание железа в составе Луны, также как и в модели одного удара Hartmann-Davis. 2. Начальный протоспутниковый диск с прямым вращением возник вокруг прото-Земли, как и возле других планет. 3. Столкновения обломков Земли с частицами прямого протоспутникового диска являются ключевым фактором для накопления обломков на стабильных орбитах. Легко показать, что обломки Земли с прямым вращением эффективно присоединяются к прямому протоспутниковому диску, в то время как обратные обломки возвращаются на Землю. Благодаря прямому вращению Земли объем обломков с прямым вращением больше, чем объем обратных обломков. 4. Расчеты баллистического переноса углового момента (A.M. Fridman, N.N. Gorkavyi "Physics of Planetary Rings", Springer, 1999, p.222-233) показывают, что протоспутниковое кольцо должно иметь оптимальный радиус, который близок к средней большой полуоси орбиты обломков: частицы, выброшенные с Земли, будут отталкивать меньшее по размеру кольцо и уменьшать момент большего кольца. 5. Массивное околоземное кольцо с низким содержанием железа собирается в Луну. На заключительном этапе обломки с Земли бомбардируют новорожденную Луну, что порождает наблюдаемую дихотомию популяций кратеров. Предсказания новой мульти-импактной модели: а. Большинство спутников астероидов должно иметь прямые и круговые орбиты, расположенные вблизи экватора центрального тела (как в случае Луны-Земли и системы Харон-Плутон); б. Астероиды со спутниками должны иметь более быстрое вращение, чем одиночные астероиды; в. Самые медленно вращающиеся астероиды (или планеты земного типа) не будут иметь спутников (как, например, Венера и Меркурий); г. При прочих равных условиях, относительная масса спутников может быть больше для более мелких астероидов; д. Кратерная дихотомия должна быть типичной для Харона, самого Плутона и крупных спутников астероидов; е. Луна должна иметь химические, изотопные и геологические признаки многих различных ударов астероидов об Землю".

Отмечу, что пункты а-б-в полностью подтвердились последующим анализом. Пункт г. пока в работе, е – пока в будущем. Интересно, что пункт д. про дихотомию поверхности Плутона и Харона подтвердился при недавнем пролете межпланетной станции, хотя рано однозначно утверждать, что эта дихотомия связана с обсуждаемым процессом.
Главный темный момент, который меня интересовал в 2004 году – удержится ли протолунный диск вокруг Земли под ударами эжекты, выбрасываемой с поверхности? Может он попросту рассосется? Я провел расчеты, которые велись на компьютере, но использовали для свободного движения обломков аналитические небесномеханические выражения для задачи двух тел - и убедился, что все в порядке – затравочный диск не тает, а благополучно растет с пиком плотности в зоне Роша. Можно сравнить результаты моего квазианалитического расчета 2007 года с суперкомпьютерной симуляцией израильской группы 2017 года:


150103_1000.jpg

Несмотря на разницу в подходах и методе расчетов, главный результат практически одинаков - протолунное кольцо растет внутри полости Роша. Отсюда видно, что не в мощности компьютеров было дело, а в психологии исследователей. Пока не пришла наивная девочка Ралука и не сказала: «А король-то голый!»