Г. Джеффрі Тейлор , Гавайський інститут геофізики та планетології

http://www.psrd.hawaii.edu/Aug06/cataclysmDynamics.html 

Віддаляння Сатурна могло викликати різке збільшення інтенсивності бомбардування Місяця 3,9 мільярдів років тому.

Орбіти планет і планетезималей відразу після початку розсіювання

Можливо, що на початку історії Сонячної системи сталася драматична подія - інтенсивне бомбардування планет і Місяця планетезималями (Прим.перекл. Планетезималь (від англ. planet— планета і infinitesimal — нескінченно мала) - небесне тіло на орбіті навколо протозірки, утворене внаслідок поступового приросту маси за рахунок дрібніших тіл, утворених з частинок пилу протопланетного диска) протягом вузького інтервалу між 3,92 та 3,85 мільярдів років тому, що назвали пізнім важким бомбардуванням, а ще місячним катаклізмом. Докази цієї події одержані з місячних проб Аполлона та місячних метеоритів. Хоча це не доконаний факт, але цікавий як робоча гіпотеза. Якщо вона правильно, то яка причина?

Група фізиків з Обсерваторії Лазурного берега (Ніцца, Франція), GEA / OV / Федерального Університету Ріо-де-Жанейро, Naservatório Nacional / MTC (Ріо-де-Жанейро, Бразилія) та Південно-Західного науково-дослідного інституту (Боулдер, Колорадо) провели ряд досліджень динаміки ранньої Сонячної системи. Алессандро Морбіделлі, Клеоменіс Циганіс, Родні Гомес та Гарольд Левісон моделювали міграцію Сатурна та Юпітера. Коли орбіти цих гігантських планет досягли особливого стану,  здійснення одного оберту Сатурна навколо Сонця на кожні два оберти Юпітера (це називають резонансом 1:2), сильні гравітаційні поштовхи зробили орбіти Нептуна та Урана нестабільними, змусивши їх швидко мігрувати, розкидаючи незліченну кількість планетезималей по всій Сонячній системі. Ця драматична подія могла статися за короткий проміжок часу, починаючи від 200 мільйонів років до мільярда років після утворення планет, спричинивши місячний катаклізм, який міг вплинути на всі внутрішні планети.

Список літератури:

• Циганіс, К., Р. Гомес, А. Морбіделлі та Х. Ф. Левісон (2005) Походження орбітальної архітектури планет-гігантів Сонячної системи. Природа, т. 435, с. 459-461.

• Морбідделлі, А., Х. Ф. Левісон, К. Циганіс, Р. Гомес (2005) Хаотичний захват троянських астероїдів Юпітера в ранній Сонячній системі. Природа, т. 435, с. 462-465.

• Гомес, Р., Х. Ф. Левісон, К. Циганіс та А. Морбіділлі (2005) Походження катаклізму пізнього періоду важкого бомбардування земних планет. Природа, т. 435, с. 466-469.

Місячний катаклізм

Тут багато справді старих місячних скель. Фероанські анортозити (Прим.перекл. Місячні фероанські анортозити - плагіоклазний польовий шпат), доставлені Аполлоном 16 з Місячного нагір'я біля кратера Декарта, зразки ранньої кори Місяця віком близько 4,5 млрд.років, першими кристалізувались 4,45 мільярда років тому з океану магми, яка вкривала Місяць, коли він утворився, (див. статтю PSRD «Найдавніші місячні скелі»). Однак багато, багато каменів, які ми називаємо "брекчією під впливом плавлення", мають вік, який потрапляє у вузький часовий проміжок між 3,92 та 3,85 млрд. років. Це очевидне групування за віком вперше помітили у середині 1970-х Фуад Тера, Димитрій Папанастасьєу та Джеральд Васербург (Калтех), які зробили висновок, що цей вік фіксує інтенсивне бомбардування Місяця. Вони назвали його "місячним катаклізмом" і допустили, що він позначає різке зростання інтенсивності бомбардування Місяця близько 3,9 мільярда років тому. Пізніша робота з місячними зразками та місячними метеоритами загалом підтверджує, що не спостерігалися періоди часу для плавлення від ударів, старші за 3,9 мільярда років (див. статтю PSRD Місячні метеорити та Місячний катаклізм.)

Mare Imbrium - Море Дощів, Mare Serenitatis - Море Ясності, Mare Crisium - Море Криз, Mare Orientale - Море Східне, Mare Nectaris - Море Нектару (Прим.перекл. - на карті Місяця англійською вживаються  назви латиною)

Визначено вік п'яти морів на Місяці. Інші моря, як відомо, молодші за Море Нектару та старші за Східне Море, тому принаймні 12 морів утворилися від 3,80 до 3,90 млрд. років тому. Можливо, майже всі 45 місячних морів сформувалися в цей час.

Клуб скептиків катаклізму

Місячний катаклізм - усталене, чітке уявлення. Чи ні? Ні, чуються голоси з кутка критиків. Ренді Коротьєв (Вашингтонський університет у Сент-Луїсі) скептично ставиться до всієї ідеї, як і його покійний колега Ларрі Хаскін. Коротьєв вважає, що ми маємо жахливу проблему з відбором проб і що розташування Аполлона були занадто близько до кратера Моря Дощів. Море Дощів має діаметр 1300 кілометрів і поширює свої безперервні викиди на площу вдвічі більшу; дивіться зображення нижче. (Базальтові потоки, що формують Море Дощів, складаються з тонкого зовнішнього шару, який є оболонкою лише частини кратера. Недарма всі вони мають один і той же вік - їх усіх сформувала одна гігантська подія.)

На цій карті темно-синя область, що оточує Море Дощів, показує інтерпретацію Дона Вільгельма про ступінь первинного викиду для кратера Моря Дощів. Місце посадки Apollo 16, відмічене знаком "+", знаходиться на краю цієї геологічної області. Місце Apollo 15 знаходиться всередині області, а місце посадки Apollo 17 знаходиться безпосередньо на границі області. Існують певні невизначеності в положеннях областей.

Більшість вчених-селенологів не згодні з цим чітким трактуванням. Вони вказують, що багато зразків удару вплавлені в геохімічні групи, які мають різний вік. Хоча вік не надто відрізняється від кластера до кластера, він все-таки відрізняються поза експериментальними невизначеностями. Тим не менш, важко довести гіпотезу, що вона стосується лише Моря Дощів ... і насправді важко переконати Ренді Коротьєва, що він повинен відмовитися від цієї ідеї та прийняти інтерпретацію катаклізму!

У скептиків є деякі дані про камені. Група брекчій в розплавленому польовому шпаті з місця посадки Apollo 16 має вік від 4,09 до 4,14 млрд. років, в середньому 4,12 млрд. років. Це значно більше вузького діапазону катаклізмів. Якщо ці епохи представляють вік бомбардування, це свідчить про те, що наслідки, безумовно, мали місце до 3,9 мільярди років тому. І якщо вік визначається віком кратера, наприклад, кратера Моря Нектару за кілька сотень кілометрів на схід, то це ставить під сумнів гіпотезу про катаклізм. Склад цих багатих польовим шпатом порід узгоджується зі спостереженнями дистанційного зондування місячних підвищень, які оточують Море Нектару. Однак розплавлена ударом частина каменів складається з дуже дрібних зерен, що свідчить про швидке охолодження. Як стверджував пізніше Грехем Райдер (Інститут Місяця і планет), це означає, що вбудовані фрагменти польового шпату, які представляють древні породи, могли бути недостатньо нагріті ударом, тому вони зберігають ізотопну пам’ять про давніші магматичні породи. Іншими словами, формування брекчії при розплаві від удару не обнулило годинник в момент удару.

Фотомікрографія тонкого шматочка багатого на брекчії в розплаві польового шпату з місця посадки Apollo 16. Дрібні гратчасті зерна - це плагіоклаз, так само і більшість великих фрагментів неправильної форми. Форма соломинок  свідчить про кристалізацію магми, в даному випадку утвореної при ударі. Фрагменти мінералу - це нерозплавлені шматочки утворених раніше  магматичних порід. Кілька таких невеликих фрагментів каменя мають вік від 4,09 до 4,14 млрд. років, що дозволяє припустити, про відсутній вузький діапазон вікових періодів розплаву, якого вимагає гіпотеза катаклізму. Однак, фрагменти мінералу неправильної форми, можливо, були недостатньо нагріті, щоб обнулити вік, змішавшись з невеликою кількістю ударного розплаву. Якщо так, то цей вік є верхньою межею для віку події впливу

Білл Хартманн (Інститут планетарних наук, Туксон) мав зовсім інші причини для скептичного ставлення. Керуючись відсутністю надійного механізму катаклізму, він завжди віддавав перевагу зменшенню інтенсивності бомбардування від часу формування Місяця до 3,8 млрд. років тому. Він припускає, що це тривале раннє бомбардування постійно зчищало верхню оболонку місячної кори, систематично видаляючи ударні розплави брекчій, які утворилися раніше. Тільки уцілілі великі фрагменти, найдавніші, створюють помилкове враження, що час удару розсіяний між 3,85 і 3,92 млрд. років. Він називає це ефектом кам'яної стіни.

Аргумент проти трактування Хартмана полягає в тому, що ми маємо зразки потоків лави, які мають вік до 4,25 мільярда років. Якби ці поверхневі гірські породи пережили затухаюче раннє бомбардування, напевно, наслідком були також розплавлені брекчії. За іронією долі, якби довели, що багатий польовим шпатом ударний уламок розплаву з Apollo 16 старший за 4,1 млрд. років, це одночасно послабило б ідею катаклізму та гіпотезу Хартманової кам'яної стіни!

Важливо перевірити гіпотезу катаклізму за допомогою додаткових зразків з Місяця, про що йдеться нижче. Поки припустимо, що стався місячний катаклізм. Що могло його викликати?

Драматична динаміка ранньої Сонячної системи

Ми зазвичай вважаємо орбіти планет незмінними та стабільними. Звичайно, блукаючі астероїди та комети можуть наблизитися до Землі і навіть вразити її, можливо, спричинити вимирання численних видів. Але не планети. Вони залишаться на місці. Ми можемо на них покластися. Але, виявляється, що на початку історії Сонячної системи планети, можливо, блукали, особливо гіганти Юпітер, Сатурн, Уран та Нептун. Юпітер, схоже, перемістився у напрямку до Сонця, тоді як інші побрели подалі від Сонця. Коли їхні орбіти досягли певних простих співвідношень одна до одної, сталося серйозне гравітаційне стискання та витягування, яке жорстко дестабілізувало орбіти Урана і Нептуна, розкидавши таким чином мільйони решток планетного творення (планетезималі та астероїди розміром з місяць) по всій Сонячній системі. Планети рухалися і утворювали кратери, можливо, в драматичний, хаотичний, складний час геологічної історії.

Це історія ранньої Сонячної системи, яку розробляли фізики та астрономи, зокрема Морбідділлі, Циганіс, Гомес та Левісон. Сучасна теорія говорить, що мігруючі планети є природним наслідком формування планет. Така міграція супроводжувалася змінами нахилу та ексцентриситету зовнішніх планет, зростаючи від приємних значимих кругових орбіт до таких, які нахилені до екліптики (орбітальної площини Землі) і не зовсім кругових (вони рухаються еліптичними траєкторіями).

Після формування планет, як кажуть Левісон та його колеги, Сонячна система все ще очевидно була заповнена уламками формування планет - планетезималями, які не доросли до планет. Ці планети-недоростки безладно розкидалися внаслідок гравітаційних взаємодій з зовнішніми планетами. Ці взаємодії, названі динамічним тертям, також викликали зміни в орбітах зовнішніх планет. Юпітер зміщувався до Сонця, тоді як Сатурн, Нептун та Уран мігрували назовні. Сатурн змістився назовні, де врешті-решт досяг резонансу з Юпітером, коли він обертався навколо Сонцем один раз на кожні два оберти Юпітера навколо Сонця. Це називається резонансом 1:2. Цей особливий час узгодження орбіт двох планет-гігантів спричинив їхню гравітаційну взаємодію, яка розхитала орбіти Нептуна та Урана. Циганіс та його колеги обчислили, наприклад, що орбіти Нептуна та Урана могли б стати сильно еліптичними, а орбітальна відстань Нептуна від Сонця збільшилася б удвічі, відправивши його в зону, заселену планетезималями. Планетезималі були розкидані сильним гравітаційним полем Нептуна, який відправляв їх у всі кінці, включаючи внутрішню частину Сонячної системи, для бомбардування кам'янистих планет і Місяця. Ситуація була настільки динамічною, що Нептун на початку був ближче до Сонця, ніж Уран, але наприкінці опинився далі. Дивіться анімацію нижче.

На цій динамічній моделі пізнього важкого бомбардування Сонце знаходиться в центрі, кольорові кругові кільця представляють орбіти чотирьох планет-гігантів, а зелені цятки являють собою диск планетезималей між 15,5 а.о. та 34 а.о. (Прим.перекл. а.о. - астрономічна одиниця, відстань між Землею і Сонцем)

Кожен знімок представляє стан планетарної системи в різний час, починаючи з t=100 мільйонів років. Сатурн і Юпітер повільно зміщуються, досягаючи резонансу 2:1. Це розкидає Нептун і Уран. Їхні екстремальні зміщення розкидають планетезималі за короткий проміжок часу - катаклізм.

Чотири знімки нижче відповідають чотирьом різним знімкам, зробленим при моделюванні. Зліва направо: Початок планетарної міграції (100 млн.років тому), безпосередньо перед початком розсіювання (879 млн. років тому), безпосередньо після початку розсіювання (882 млн. років тому), і 200 млн. років тому, коли від початкової маси диска залишилося лише 3%, і планети досягли остаточних орбіт.

Виникає проблема з термінами. Місячний катаклізм (якщо правильна інтерпретація віку брекчій, який випливає з бомбардування Місяця) відбувся приблизно від 3,92 до 3,85 мільярда років тому. Це означає, що Сатурну довелося б перейти в резонанс 1:2 з Юпітером через 600 - 700 млн. років після утворення Сонячної системи. Який механізм міг так довго затримувати міграцію планет-гігантів? Це головне положення доповіді Гомеса. Він вказує, що час, за який Юпітер і Сатурн досягли свого резонансу 1:2, залежить від трьох основних факторів. Перший, логічно, - їхня відстань від резонансного положення. Другий - це маса речовини, яка знаходяться в планетезимальному диску, особливо біля його внутрішнього краю. Третій фактор - відносне розташування внутрішнього краю диска і самого зовнішнього крижаного гіганта (Нептуна або Урана).

Ефект зміни положення внутрішнього краю планетезимального диска показаний на схемі нижче. Чим далі від Сонця, тим більше часу потрібно Юпітеру та Сатурну, щоб досягти свого орбітального резонансу 1:2. На відстані близько 15 а.о. цей час знаходиться в діапазоні кількох сотень мільйонів років. Варіюючи інші параметри, Гомес та його колеги виявили, що Юпітер та Сатурн могли досягти свого резонансу 1:2 між 200 мільйонами та 1,1 мільярдами років після утворення планет. Хоча й не точно, це показує, що резонансний механізм є логічним для створення пізнього важкого бомбардування. Насправді, якщо місячний катаклізм доведений, можливо, його тривалість та вік можна використовувати для встановлення обмежень на змінні, які визначають час міграції.

Розрахунки Р. Гомеса та його колег показують, що час, коли Юпітер і Сатурн досягають свого резонансу 1:2, залежить від відстані до внутрішнього краю диска планетезималей, які населяють зовнішню частину Сонячної системи. Якщо внутрішній край диска знаходиться за межами 15 а.о., то дві планети-гіганти досягли свого резонансу 1:2 за кілька сотень мільйонів років, правильний термін виникнення  місячного катаклізму.

Моделювання свідчать, що бомбардування Місяця могли відбуватися як кометами, так і астероїдами, але точний відсоток кожного з них дуже невизначений. Однак фахівці з динаміки впевнені, що в результаті комет було набагато більше, вони принесли на Місяць 8х10²¹ г кометної речовини. Цікаво, що ми не бачимо доказів цього притоку криги у місячних зразках, усі вони сухі.

Ефекти на Марсі - чи існував викликаний катаклізмом ранній вологий період на Марсі?

Якщо припустити, що відбулося пізнє важке бомбардування, воно, мабуть, мало драматичні наслідки на всіх планетах. Результат незрозумілий для Землі, хоча максимальний вік земних порід  потрапляє в потрібний діапазон близько 3,8 млрд. років. Покійний Грехем Райдер (Інститут Місяця і планет, Х'юстон) припустив, що раннє бомбардування Землі створило середовище, в якому могло виникнути життя, хоча деякі астробіологи припускають, що обстріл стерилізував Землю, ставши причиною того, що життя виникало багаторазово. Поверхня Меркурія побита, як у Місяця. (На Венері був спровокований вулканізм, який зітер всі докази раннього бомбардування.) Усі варіанти цікаві, але наслідки пізнього важкого бомбардування можуть бути найбільш очевидними на Марсі.

На топографічній карті Марса видно безліч кратерів марсіанського нагір'я. Величезне море Еллади (діаметр ~ 2000 кілометрів) добре видно (сині - низини, червоні - підвищення). Це один з багатьох кратерів, сформованих на початку історії Марса. Моря та кратери чітко фіксують історію бомбардувань планети.

Окрім формування тисяч кратерів діаметром більше 20 км і, можливо, сотень морів розміром більших за 300 км, наслідки катаклізмового бомбардування Марса можуть бути широко розповсюдженими. Вони можуть включати змішування різних типів гірських порід, як ми бачимо у зразках, зібраних з місячного нагір'я. Утворення великих морів могло б зітерти свідчення про раннє магнітне поле на Марсі, яке зараз фіксується лише в певних регіонах нагір'я. Бомбардування могло сформувати велику кількість розплавних та осколкових брекчій, що ускладнить пошук великих масивів древніх порід.

Мабуть, найцікавіше те, що катаклізматичне бомбардування Марса крижаними кометами додало б значну кількість води в його кору. Це, можливо, спричинило б ранній, вологий період в історії Марса. Кожне бомбардування могло викликати період дощів, як це запропонувала Тереза Сігура (Університет Колорадо, Боулдер), що призвело б до інтенсивної ерозії нагір'я та осідання грунту в кратерах, які в основному заповнені осадом. Чи міг ранній, вологий період на Марсі бути викликаний міграцією Юпітера та Сатурна?

На древню марсіанську кору сильно вплинули потоки води та, можливо, дощі. На цьому зображенні показані ударні кратери, частково заповнені осадом. Помережані долини видно зліва внизу зображення.

Перевірка важливої концепції

Ідея короткого, але сильного сплеску інтенсивності бомбардування 3,9 млрд. років тому - надзвичайно важлива концепція. Вона не доведена, як вказує Джо Хан (Університет Святої Марії, Галіфакс) в чіткому та стислому підсумку до динамічних розрахунків. Він каже, що гарна узгодженість з часом формування місячних морів та пояснення ексцентриситетів та нахилів орбіт зовнішніх планет, хоча і дуже цікава, але не є доказом того, що моделювання було правильними. Можливо, ексцентриситети та нахили були накачані наявністю інших великих протопланет, які врешті-решт були поглинуті планетами-гігантами або викинуті з Сонячної системи.

Що сталося з усією водою комет, які врізалися в Місяць? Як усе це могло зникнути? Якщо вона втрачена, то чи втрачена вона також і Марсом? Для Місяця важливіше, чи справді всі ці моря сформувалися за короткий час приблизно 3,85 мільярда років тому?

Космохіміки мають намір перевірити цю ідею. Ми можемо використовувати наявні зразки Аполлона, роблячи більш детальні дослідження тих неоднозначних брекчій розплаву Apollo 16 групи 4 та більшої кількості фрагментів ударних розплавів в місячних метеоритах. Ще краще, ми можемо датувати зразки, повернуті керованими роботами з місій до місячних морів. Один з фаворитів серед космохіміків - найдавніше море на Місяці, море Південний полюс-Ейткен. Зразки можуть бути повернені робототехнічною місією або космонавтами, коли люди повернуться на Місяць, подія, запланована приблизно на 2018 рік. Поселення на Місяці, центральна тема національного бачення космічних досліджень, дозволить космонавтам на Місяці встановити вік багатьох місячних морів, включно з Морем Криз і Морем Нектару.

Майбутні поселення на Місяці дозволять проводити великі польові роботи, необхідні для збору найкращих зразків, які використають для датування місячних морів.

Важливо перевірити гіпотезу місячного катаклізму. Якщо доведуть, що розрахунки Морбідделлі, Циганіса, Гомеса та Левісона швидше є правильними, то їхній опис процесів, які відбувалися під час формування планети, може бути точним. Ця модель планетарної міграції пояснює пізнє важке бомбардування, параметри орбіт  зовнішніх планет, наявний орбітальний розподіл астероїдів головного пояса та наявність троянських астероїдів у Юпітера. Якщо катаклізму не було, їм доведеться видозмінювати свою картину, можливо, кардинально. Як це часто трапляється в планетології, космохіміки та астрономи є партнерами, які намагаються розгадати секрети ранньої Сонячної системи.

ДОДАТКОВІ РЕСУРСНІ ПОСИЛАННЯ

Коен, Б. (2001) Місячні метеорити та місячний катаклізм. Планетарні наукові дослідження. http://www.psrd.hawaii.edu/Jan01/lunarCataclysm.html

Гомес, Р., Х. Ф. Левісон, К. Циганіс, А. Морбіделлі (2005) Походження катаклізму пізнього важкого бомбардування періоду земних планет. Природа, т. 435, с. 466-469.

Хан, Дж. (2005) Коли велетні бродили: новини та погляди. Природа, т. 435, с. 432-433.

Морбідделлі, А., Х. Ф. Левісон, К. Циганіс, Р. Гомес (2005) Хаотичний захват троянських астероїдів Юпітера в ранній Сонячній системі. Природа, т. 435, с. 462-465.

Норман, М. (2004) Найдавніші місячні скелі. Планетарні наукові дослідження. http://www.psrd.hawaii.edu/April04/lunarAnorthosites.html

Циганіс, К., Р. Гомес, А. Морбіделлі, Х. Ф. Левісон (2005) Походження орбітальної архітектури планет-гігантів Сонячної системи. Природа, т. 435, с. 459-461.

Тейлор, Г. Дж. (2001) Уран, Нептун та гори Місяця. Планетарні наукові дослідження. http://www.psrd.hawaii.edu/Aug01/bombardment.html

Веб-сайт Vision for Space Space від NASA.