Луна могла сохранять внутреннее тепло благодаря гравитации соседней Земли. Миллиарды лет назад спутник находился значительно ближе к нашей планете, а его орбита была более вытянутой. Из-за этого земное притяжение периодически деформировало лунные недра, создавая дополнительный источник энергии. Новая компьютерная модель показала, что тепло могло концентрироваться в двух областях на границе ядра и мантии и поддерживать геологическую активность спутника. О том, как Земля могла влиять на вулканическую историю Луны, — в материале «Известий».

Почему на Луне возникли вулканические породы

Луна сформировалась около 4,5 млрд лет назад, вероятно после столкновения молодой Земли с крупным небесным телом — протопланетой Тейей. В результате удара в космос выбросило огромное количество вещества, из которого впоследствии образовался спутник. Из-за сравнительно небольших размеров Луна должна была довольно быстро остыть и постепенно утратить внутреннюю геологическую активность.

Однако образцы лунного грунта, доставленные на Землю китайской миссией «Чанъэ-5», поставили перед исследователями вопрос: некоторые базальты из района Океана Бурь сформировались около 2 млрд лет назад. Это означает, что в тот период внутри спутника еще сохранялись условия для плавления пород и выхода магмы на поверхность.

Один из возможных источников тепла — радиоактивный распад элементов, содержащихся в лунных недрах. Но, по оценкам ученых, к тому времени его уже было недостаточно для объяснения поздней вулканической активности. Удары крупных астероидов также не могли полностью объяснить происходившее: период интенсивной бомбардировки Луны закончился задолго до образования этих пород.

Группа исследователей под руководством Мяо Чэня из Чэндуского технологического университета предложила еще один механизм — приливный разогрев, вызванный гравитацией Земли. Результаты работы опубликованы в журнале Planet. Ученые построили модель внутреннего строения Луны и рассчитали, как воздействие нашей планеты могло распределять тепло в ее мантии.

Как земное притяжение разогревало лунные недра

Приливный разогрев возникает, когда гравитация крупного небесного тела растягивает и сжимает другой объект. Если его орбита имеет вытянутую форму, сила воздействия периодически меняется: спутник испытывает деформации, а часть механической энергии превращается в тепло. Подобный процесс особенно заметен на спутнике Юпитера Ио, где приливные силы поддерживают интенсивную вулканическую активность.

В ранней истории системы Земля — Луна условия для такого разогрева были значительно более выраженными, чем сейчас. Согласно использованным авторами расчетам, около 3,2 млрд лет назад расстояние между планетой и ее спутником составляло примерно 70% от современного, а лунный орбитальный период равнялся около 16 земным суткам. Кроме того, орбита Луны была более вытянутой, поэтому гравитационное воздействие Земли сильнее менялось на протяжении движения спутника.

Предыдущие модели приливного нагрева часто упрощали внутреннее строение Луны, рассматривая ее как практически однородное тело. Авторы новой работы учли, что вязкость вещества в разных частях мантии неодинакова. Особое значение имела область с очень низкой вязкостью на границе ядра и мантии: именно она, согласно расчетам, могла усиливать рассеивание энергии и создавать зоны локального нагрева.

Исследователи использовали трехмерное моделирование, чтобы проследить, как приливные силы воздействовали на внутренние слои спутника и как выделявшаяся энергия влияла на движение вещества в мантии. Такой подход позволил оценить не только общий эффект гравитации Земли, но и распределение тепла в конкретных областях лунных недр.

Где внутри Луны концентрировалось тепло

Моделирование выявило две симметричные области усиленного приливного нагрева на границе ядра и мантии. Авторы назвали их зонами аномального приливного нагрева — THAZ. Несмотря на то что вместе они занимали около 2,5% объема мантии, на них приходилась значительная часть выделявшейся энергии.

По расчетам исследователей, около 3,2 млрд лет назад мощность нагрева в этих областях могла достигать 150 ГВт. Для сравнения, мощность локального нагрева от радиоактивного распада в той же зоне оценивалась примерно в 34,9 ГВт. Таким образом, приливное воздействие могло стать там более мощным источником тепла, чем радиоактивные процессы.

Нагрев в свою очередь мог поддерживать восходящие потоки вещества — мантийные плюмы. Они переносили энергию из глубоких слоев к верхней части мантии и способствовали частичному плавлению пород. Авторы предполагают, что этот процесс помогал перемещать богатые титаном материалы, сформировавшиеся на ранних этапах охлаждения лунного магматического океана. Их плавление могло участвовать в образовании древних базальтовых пород.

Модель также предлагает объяснение продолжительного существования лунного магнитного поля. Дополнительный нагрев у границы ядра и мантии мог замедлять охлаждение ядра и поддерживать процессы, необходимые для работы древнего лунного динамо. По оценке авторов, этот механизм согласуется с данными о существовании магнитного поля Луны более 500 млн лет.

Что новая модель объясняет в истории Луны

Исследователи считают, что приливный нагрев мог повлиять на образование как древних, так и сравнительно молодых лунных базальтов. В частности, модель связывает движение вещества в мантии с формированием богатых титаном пород возрастом около 3,7 млрд лет, образцы которых доставили на Землю экспедиции «Аполлон-11» и «Аполлон-17».

Отдельно авторы рассмотрели базальты возрастом около 2 млрд лет, обнаруженные миссией «Чанъэ-5». Согласно предложенному объяснению, интенсивный нагрев в более ранний период мог способствовать перемещению части вещества мантии ближе к поверхности. Некоторые его запасы сохранились там и позднее стали источником магмы, даже когда приливное воздействие Земли уже значительно ослабло.

По мере удаления Луны от Земли гравитационные силы, вызывавшие приливный разогрев, становились слабее. В модели это объясняет постепенное угасание соответствующих процессов и прекращение масштабной вулканической активности, связанной с перемещением глубинных материалов. При этом авторы отмечают, что распределение вулканических пород на поверхности спутника зависело не только от процессов в мантии, но и от особенностей лунной коры.

У исследования есть ограничения: авторы использовали упрощенную схему взаимодействия приливного нагрева и движения вещества в мантии. В частности, модель не учитывает в полной мере охлаждение, связанное с плавлением пород и перемещением магмы, поэтому предложенный механизм пока остается теоретическим объяснением, которое предстоит проверить с помощью новых расчетов, геофизических наблюдений и анализа лунных образцов.