Претпоставка за џиновски удар

Хипотезата за џиновски удар или влијанието на Теја, сугерира дека Месечината настанала од судир помеѓу прото-Земјата и планета со големина на Марс, пред приближно 4,5 милијарди години, во Хадејскиот еон. (околу 20 до 100 милиони години по соединувањето на Сончевиот Систем). Телото што се судрира понекогаш се нарекува Теја, од името на митскиот грчки Титан, мајка на Селена, божицата на Месечината. Анализата на карпите на Месечината, објавена во извештај од 2016 година, сугерираат дека ударот можеби бил директен, предизвикувајќи темелно мешање на двете тела.
Хипотезата за џиновски удар е моментално омилената научна хипотеза за формирањето на Месечината. Придружните докази вклучуваат:
* Ротацијата на Земјата и орбитата на Месечината имаат слични ориентации.
* Системот Земја-Месечина содржи невообичаено висок аголен моментум. Што значи, моментумот содржан во ротацијата на Земјата, ротацијата на Месечината и Месечината што се врти околу Земјата е значително повисок од другите копнени планети. Огромен удар можеби го обезбедил овој вишок на моментум.
* Примероците од Месечината покажуваат дека Месечината некогаш била стопена до значителна, но непозната длабочина. Ова можеби барало повеќе енергија отколку што било предвидено да биде достапна од натрупаноста на тело со големина на Месечината. Исклучително енергичен процес, како што е џиновски удар, би можел да ја обезбеди оваа енергија.
* Месечината има релативно мало железно јадро. Ова и дава на Месечината помала густина од Земјата. Компјутерските модели на џиновски удар на тело со големина на Марс со Земјата укажуваат на тоа дека јадрото на ударникот најверојатно ќе навлезе во Земјата и ќе се спои со неговото јадро. Ова би оставило на Месечината помалку метално железо од другите планетарни тела.
* Месечината е исцрпена од испарливи елементи во споредба со Земјата. Испарувајќи на релативно пониски температури, тие би можеле да бидат изгубени во настан со висока енергија, при што помалата гравитација на Месечината не може да ги врати додека Земјата го стори тоа.
* Има докази и во други ѕвездени системи за слични судири, што резултира со отпадни дискови.
* Џиновските судири се во согласност со водечката теорија за настанокот на Сончевиот Систем.
* Односите на стабилните изотопи на месечевата и копнената карпа се идентични, што имплицира заедничко потекло.
Сепак, остануваат неколку прашања во врска со најдобрите сегашни модели на хипотезата за џиновски удар. Се предвидува дека енергијата на таков џиновски удар ја загреала Земјата за да произведе глобален магма океан, а документирани се докази за резултантната планетарна диференцијација на потешкиот материјал кој тоне во обвивката на Земјата. Сепак, не постои самоконзистентен модел кој започнува со настанот со џиновски удар и ја следи еволуцијата на остатоците во една месечина. Другите преостанати прашања вклучуваат кога Месечината го изгубила својот дел од испарливи елементи и зошто на Венеракоја доживеала џиновски удари при своето формирање, не се наоѓа слична месечина.
1 Историја
Во 1898 година, Џорџ Дарвин дал предлог дека Земјата и Месечината некогаш биле едно тело. Дарвиновата хипотеза била дека стопената Месечина била извртена од Земјата поради центрифугалните сили, и ова станало доминантно академско објаснување. Користејќи ја Њутновата механика, тој пресметал дека Месечината орбитирала многу поблиску во минатото и дека се оддалечува од Земјата. Ова лебдање подоцна било потврдено со американски и советски експерименти, користејќи цели за ласерски дострел поставени на Месечината.
Сепак, пресметките на Дарвин не можеле да ја решат механиката потребна за следење на Месечината наназад до површината на Земјата. Во 1946 година, Реџиналд Олдворт Дејли од Универзитетот Харвард го оспорил објаснувањето на Дарвин, приспособувајќи го да претпоставува дека создавањето на Месечината било предизвикано од удар, а не од центрифугални сили. Малку внимание било посветено на предизвикот на професорот Дејли до конференцијата за сателити во 1974 година, за време на која идејата било повторно воведена, а подоцна објавена и дискутирана во списанието ''Икар'' во 1975 година од Др. Вилијам К. Хартман и Доналд Р. Дејвис. Нивните модели сугерирале дека, на крајот од периодот на формирање на планетите, се формирале неколку тела со големина на сателити кои би можеле да се судрат со планетите или да бидат фатени. Тие предложиле дека еден од овие објекти можеби се судрил со Земјата, исфрлајќи огноотпорна, испарлива сиромашна прашина која би можела да се спои за да ја формира Месечината. Овој судир може потенцијално да ги објасни уникатните геолошки и геохемиски својства на Месечината.
Сличен пристап бил донесена од страна на канадскиот астроном Алистер Камерон и американскиот астроном Вилијам Р. Вард, кој сугерирал дека Месечината е формирана од страна на површно влијание врз Земјата на тело со големина на Марс. Се претпоставува дека поголемиот дел од надворешните силикати на телото што се судира би се испарувале, додека металното јадро не. Оттука, најголемиот дел од материјалот од судирот испратен во орбитата би се состоел од силикати, со што Месечината што се спојува има недостаток на железо. Поиспарливите материјали што биле испуштени за време на судирот веројатно ќе избегаат од Сончевиот Систем, додека силикатите ќе имаат тенденција да се спојат.
Осумнаесет месеци пред конференцијата за месечевото потекло во октомври 1984 година, Бил Хартман, Роџер Филипс и Џеф Тејлор ги предизвикал колегите научници од Месечината: „''Имате осумнаесет месеци.''''Вратете се на вашите податоци на Аполо, вратете се на вашиот компјутер, правете сè што треба, но одлучите. Не доаѓајте на нашата конференција освен ако немате нешто да кажете за раѓањето на Месечината''“. На конференцијата во 1984 година на Хаваи, хипотезата за џиновски удар се појавила како најомилена хипотеза.
Пред конференцијата, имаше приврзаници на трите „традиционални“ теории, плус неколку луѓе кои почнаа сериозно да го сфаќаат џиновското влијание, а имаше и огромна апатична средина кој не мислеше дека дебатата некогаш ќе биде решена. Потоа, во суштина имаше само две групи: џиновски судир и агностици.
2 Теја
Името на хипотезата е изведено од митскиот титан Теја која е родена на Месечината од страна на божицата Селена. Оваа ознака првично била предложена од англискиот геохемичар Алекс Н. Халидеј во 2000 година и станала прифатена во научната заедница. Според современите теории за формирање на планети, Теја била дел од популацијата на тела со големина на Марс што постоеле во Сончевиот Систем пред 4,5 милијарди години. Една од привлечните одлики на хипотезата за џиновски удар е дека формирањето на Месечината и Земјата се усогласуваат; За време на нејзиното формирање, се смета дека Земјата доживеала десетици судири со тела со големина на планета. Судирот на Месечината би бил само еден таков „''џиновски удар''“, но секако последниот значаен настан на ударот. Доцното тешко бомбардирање од многу помали астероиди се случило подоцнапред околу 3,9 милијарди години.
3 Основен модел
Астрономите мислат дека судирот меѓу Земјата и Теја се случил на околу 4,4 до 4,45 ав., околу 0,1 милијарди години откако Сончевиот Систем почнал да се формира. Во астрономска смисла, ударот би бил со умерена брзина. Се смета дека Теја удрила во Земјата под кос агол кога Земјата била речиси целосно формирана. Компјутерски симулации на ова сценарио за „''доцен удар''“ сугерираат почетна брзина на ударот на бесконечност под 4 километри во секунда, зголемувајќи се на над 9,3 при удирањето и агол на удар од околу 45°. Сепак, изобилството на изотоп на кислород во месечевата карпа сугерира „силно мешање“ на Теја и Земјата, што укажува на голем аголен удар. Железното јадро на Теја би потонало во јадрото на младата Земја, а поголемиот дел од обвивката на Теја се насобрал на обвивката на Земјата. Сепак, значителен дел од материјалот од обвивката и од Теја и од Земјата би бил исфрлен во орбитата околу Земјата (ако се исфрли со брзини помеѓу орбиталната брзина и брзината на бегство) или во поединечни орбити околу Сонцето (ако се исфрли со повисоки брзини). Моделирањето претпоставило дека материјалот во орбитата околу Земјата можеби се насобрал за да ја формира Месечината во три последователни фази; акредитирајќи се прво од телата кои првично биле присутни надвор од Рошовата граница на Земјата, што дејствувале за да го ограничи материјалот на внатрешниот диск во рамките на границата на Рош. Внатрешниот диск полека и вискозно се шири назад до Рошовата граница на Земјата, туркајќи по надворешните тела преку резонантни интеракции. По неколку десетици години, дискот се проширил надвор од границата на Рош и почнал да произведува нови објекти кои го продолжиле растот на Месечината, сè додека внатрешниот диск не се исцрпи во маса по неколку стотици години. Така, материјалот во стабилните орбити на Кеплер веројатно ќе го погоди системот Земја-Месечина некаде подоцна (бидејќи и орбитата на Кеплер на системот Земја-Месечина околу Сонцето останува стабилна). Проценките засновани на компјутерски симулации на таков настан сугерираат дека околу дваесет проценти од првобитната маса на Теја би завршила како орбитален прстен од отпад околу Земјата, а околу половина од оваа материја се соединила во Месечината. Земјата би добила значителни количини на аголен импулс и маса од таков судир. Без оглед на брзината и наклонот на ротацијата на Земјата пред ударот, таа би доживеала еден ден долг околу пет часа по ударот, а екваторот на Земјата и орбитата на Месечината би станале компланарни.
Целиот материјал на прстенот не бил веднаш ичистен: задебелената кора на далечната страна на Месечината укажува на можноста дека втората месечина околу 1,000 километри во пречник формирана во Лагранжова точка на Месечината. Помалата месечина можеби останала во орбитата десетици милиони години. Како што двете месечини мигрирале нанадвор од Земјата, сончевите плимни ефекти би ја направиле орбитата на Лагранж нестабилна, што резултирало со судир со бавна брзина што ја „запалила“ помалата месечина на она што сега е далечната страна на Месечината, додавајќи материјал во нејзината кора. Месечевата магма не може да пробие низ густата кора на далечната страна, предизвикувајќи помалку месечево море.
4 Состав
Во 2001 година, тим од Научниот институт „Карнеги“ во Вашингтон објавил дека карпите од програмата Аполо носат изотопски белег кој е идентичен со карпите од Земјата и се разликува од речиси сите други тела во Сончевиот Систем.
Во 2014 година, тим од Германија објавил дека примероците на Аполо имаат малку поинаков изотопски белег од карпите на Земјата. Разликата била мала, но статистички значајна. Едно можно објаснување е дека Теја се формирала во близина на Земјата.
Овие емпириски податоци кои покажуваат блиска сличност на составот може да се објаснат само со стандардната хипотеза за џиновски удар како крајно неверојатна случајност, каде што двете тела пред судирот некако имале сличен состав. Меѓутоа, во науката, многу мала веројатност за ситуација укажува на грешка во теоријата, така што напорите се фокусирани на модифицирање на теоријата со цел подобро да се објасни овој факт дека Земјата и Месечината се составени од речиси ист тип на карпи.
4.1 Хипотеза за рамнотежа
Во 2007 година, истражувачите од Калифорнискиот институт за технологија покажале дека веројатноста Теја да има идентичен изотопски белег како Земјата е многу мала (помалку од 1 процент). Тие предложиле дека после џиновскиот удар, додека Земјата и прото-месечевиот диск биле стопени и испарувани, двата резервоари биле поврзани со заедничка силикатна атмосфера на пареа и дека системот Земја-Месечина станал хомогенизиран со конвективно мешање додека системот постоеле во форма на континуирана течност. Таквата „рамнотежа“ помеѓу Земјата по ударот и прото-месечевиот диск е единственото предложено сценарио кое ги објаснува изотопските сличности на карпите со карпите од внатрешноста на Земјата. Меѓутоа, за ова сценарио да биде остварливо, прото-месечевиот диск би требало да издржи околу 100 години. Работата е во тек  да се утврди дали тоа е можно или не.
4.2 Хипотеза за директен судир
Според истражувањето (2012) за објаснување на слични состави на Земјата и Месечината врз основа на симулации на Универзитетот во Берн од физичарот Андреас Рофер и неговите колеги, Теја директно се судрила со Земјата наместо едвај да ја помине. Брзината на судирот можеби била поголема од првично претпоставената, а оваа поголема брзина можеби целосно ја уништила Теја. Според оваа модификација, составот на Теја не е толку ограничен, што овозможува состав од до 50% воден мраз.
4.3 Хипотеза за синестија
Еден од напорите, во 2018 година, да се хомогенизираат производите од судирот бил да се поттикне примарното тело преку поголема вртежна брзина пред судир. На овој начин, повеќе материјал од примарното тело ќе се откачи за да се формира Месечината. Понатамошното компјутерско моделирање утврдило дека набљудуваниот резултат може да се добие со тоа што телото пред Земјата се врти многу брзо, толку многу што формира нов небесен објект кој го добил името „синестија“. Ова е нестабилна состојба која би можела да се генерира со уште еден судир за ротацијата да се врти доволно брзо. Понатамошното моделирање на оваа минлива структура покажало дека примарното тело кое се врти како предмет во облик на крофна (синестија) постоело околу еден век (многу кратко време),  пред да се олади и да ги роди Земјата и Месечината.
4.4 Хипотеза за океан за копнена магма
Друг модел, во 2019 година, за да се објасни сличноста на составот на Земјата и Месечината, тврди дека кратко време по формирањето на Земјата, таа била покриена со море од жешка магма, додека објектот што удирил најверојатно бил направен од цврст материјал. Моделирањето сугерира дека тоа би довело до ударот што ќе ја загрее магмата многу повеќе отколку цврстите материи од објектот што удира, што ќе доведе до исфрлање повеќе материјал од прото-Земјата, така што околу 80% од остатоците што формираат Месечина потекнуваат од прото-Земјата. Многу претходни модели сугерирале дека 80% од Месечината доаѓаат поради ударот.
5 Доказ
Индиректниот доказ за сценариото за џиновски удар доаѓа од карпите собрани за време на слетувањето на Месечината на Аполо, кои покажуваат сооднос на изотопи на кислород речиси идентични со оние на Земјата. Високо анортозитниот состав на кората на Месечината, како и постоењето на примероци богати со ''KREEP'', сугерираат дека голем дел од Месечината некогаш бил стопен; и џиновско сценарио за удар лесно би можело да ја снабди енергијата потребна за формирање на таков океан со магма. Неколку линии на докази покажуваат дека доколку Месечината има јадро богато со железо, тоа мора да биде мало. Особено, средната густина, моментот на инерција, вртежниот белег и одговорот на магнетна индукција на Месечината сугерираат дека полупречникот на нејзиното јадро е помал од околу 25% од полупречникот на Месечината, за разлика од околу 50% за повеќето од другите копнени тела. Соодветните услови на удар што ги задоволуваат ограничувањата на аголниот моментум на системот Земја-Месечина даваат Месечина формирана претежно од обвивките на Земјата и ударниот удар, додека јадрото на ударниот удар се надополнува на Земјата. Земјата има најголема густина од сите планети во Сончевиот Систем; апсорпцијата на јадрото на телото на ударот го објаснува ова набљудување, со оглед на предложените својства на раната Земја и Теја.
Споредбата на изотопскиот состав на цинкот на примероците од Месечината со оној на карпите на Земјата и Марс дава дополнителни докази за хипотезата за удар. Цинкот е силно фракциониран кога се испарува во планетарните карпи, но не при нормални магматски процеси, така што изобилството на цинк и изотопскиот состав можат да ги разликуваат двата геолошки процеси. Карпите од Месечината содржат повеќе тешки изотопи на цинк и севкупно помалку цинк од соодветните магматски карпи на Земјата или Марс, што е во согласност со цинкот што се исцрпува од Месечината преку испарување, како што се очекувало за потеклото на џиновскиот удар.
Судирите меѓу ејектите кои бегаат од Земјината гравитација и астероидите би оставиле знаци за загревање на ударот во камените метеорити; анализата заснована на претпоставката за постоење на овој ефект е искористена за датира настанот на влијание од пред 4,47 милијарди години, во согласност со датумот добиен со други средства.
Топла прашина богата со силициум диоксид и изобилен гас SiO, производи од удари со голема брзинанад 10 километри во секундапомеѓу карпести тела, биле откриени со вселенскиот телескоп Спицер околу блиската ѕвезда HD 172555 во подвижната група Бета Пикторис. Појас од топла прашина во зона помеѓу 0,25 AU и 2 AU од младата ѕвезда HD 23514 во кластерот Плејади изгледа сличен на предвидените резултати од судирот на Теја со ембрионската Земја и се толкува како резултат на судир на објекти со големина на планета еден со друг. Сличен појас на топла прашина е откриен околу ѕвездата BD+20°307 (HIP 8920, SAO 75016).
6 Тешкотии
Оваа хипотеза за месечевото потекло има некои тешкотии кои допрва треба да се решат. На пример, хипотезата за џиновски удар имплицира дека по ударот би се формирал површински океан со магма. Сепак, нема докази дека Земјата некогаш имала таков океан со магма и веројатно постои материјал што никогаш не бил обработен во океанот со магма.
=
4 Состав
=
Треба да се решат голем број композициски недоследности.
* Односите на испарливите елементи на Месечината не се објаснети со хипотезата за џиновски удар. Ако хипотезата за џиновско влијание е точна, овие соодноси мора да се должат на некоја друга причина.
* Присуството на испарливи материи како што е водата заробена во месечевите базалти и емисиите на јаглерод од површината на Месечината е потешко да се објасни дали Месечината била предизвикана од удар со висока температура.* Содржината на железен оксид (FeO) (13%) на Месечината, средно помеѓу онаа на Марс (18%) и копнената обвивка (8%), го исклучува најголемиот дел од изворот на прото-месечевиот материјал од обвивката на Земјата.
* Ако најголемиот дел од прото-месечевиот материјал дојде од удар, Месечината би требало да се збогати со сидерофилни елементи, кога, всушност, има недостаток од нив.
* Изотопските соодноси на кислородот на Месечината се во суштина идентични со оние на Земјата. Изотопските соодноси на кислород, кои може да се измерат многу прецизно, даваат уникатен и посебен знак за секое тело на Сончевиот Систем. Ако постоела посебна прото-планета Теја, веројатно би имала различен кислороден изотопски белег од Земјата, како и исфрлениот мешан материјал.
* Соодносот на изотоп на титан на Месечината <sup>(50</sup> Ti/ <sup>47</sup> Ti) се смета толку близок до оној на Земјата (во рок од 4 ppm), што малку или дел од масата на телото што се судира веројатно би можело да биде дел од Месечината.
6.2 Недостаток на месечина на Венера
Ако Месечината била формирана од таков удар, можно е и други внатрешни планети да биле подложени на споредливи удари. Месечината што се формирала околу Венера со овој процес веројатно нема да побегне. Да се случел таков настан за формирање на Месечината, можното објаснување зошто планетата нема таква месечина би можело да биде дека се случил втор судир кој се спротивставил на аголниот моментум од првиот удар. Друга можност е дека силните плимни сили од Сонцето ќе имаат тенденција да ги дестабилизираат орбитите на месечините околу блиските планети. Поради оваа причина, ако бавната стапка на ротација на Венера започне рано во нејзината историја, сите сателити поголеми од неколку километри во пречник веројатно би се спирале навнатре и би се судриле со Венера.
Симулациите на хаотичниот период на формирање на копнени планети сугерираат дека ударите како оние за кои се претпоставува дека ја формирале Месечината биле вообичаени. За типични копнени планети со маса од 0,5 до 1 Земјинска маса, таквото влијание обично резултира со една месечина која содржи 4% од масата на планетата домаќин. Наклонот на орбитата на месечината е случаен, но овој наклон влијае на последователната динамичка еволуција на системот. На пример, некои орбити може да предизвикаат месечината да се врати назад кон планетата. Исто така, близината на планетата до ѕвездата исто така ќе влијае на орбиталната еволуција. Нето ефектот е дека поверојатно е месечините генерирани од удар да преживеат кога кружат околу подалечни копнени планети и се порамнети со планетарната орбита.
7 Можно потекло на Теја
Во 2004 година, математичарот Едвард Белбруно и астрофизичарот Ричард Гот III од Универзитетот Принстон предложиле Теја да се спои во Лагранжовата точка L4 или L5 во однос на Земјата (во истиот орбита и околу 60 ° напред или позади), слично на тројански астероид. Дводимензионалните компјутерски модели сугерираат дека стабилноста на предложената тројанска орбита на Теја би била засегната кога нејзината растечка маса ќе надмине праг од приближно 10% од масата на Земјата (масата на Марс). Во ова сценарио, гравитациските пертурбации од планезималите предизвикале Теја да замине од својата стабилна Лагранжова местоположба, а последователните интеракции со прото-Земјата довеле до судир меѓу двете тела.
Во 2008 година биле презентирани докази кои сугерираат дека судирот можеби се случил подоцна од прифатената вредност од 4,53 Gya. Споредбата на компјутерски симулации од 2014 година со мерења на елементарното изобилство во обвивката на Земјата покажале дека судирот се случил приближно 95 ''My'' по формирањето на Сончевиот Систем.
Се претпоставува дека би можело да се создале други значајни објекти од ударот, кои би можеле да останат во орбитата помеѓу Земјата и Месечината, заглавени во Лагранжовите точки. Таквите објекти можеби останале во системот Земја-Месечина дури 100 милиони години, додека гравитациските влечења на другите планети не го дестабилизирале системот доволно за да ги ослободи објектите. Студијата објавена во 2011 година сугерира дека последователниот судир меѓу Месечината и едно од овие помали тела предизвикало забележителни разлики во физичките одлики помеѓу двете полутопки на Месечината. Овој судир, според симулациите, би бил со доволно мала брзина за да не се формира кратер; наместо тоа, материјалот од помалото тело би се раширил низ Месечината (во она што би станала нејзина далечна страна), додавајќи дебел слој кора. Резултирачките масовни неправилности последователно ќе произведат градиент на гравитација што резултирало со плимно заклучување на Месечината, така што денес, само блиската страна останува видлива од Земјата.
Во 2019 година, тим од Универзитетот во Минстер објавил дека изотопскиот состав на молибден во јадрото на Земјата потекнува од надворешниот Сончев Систем, што веројатно носи вода на Земјата. Едно можно објаснување е дека Теја потекнува од надворешниот Сончев Систем.
8 Алтернативни хипотези
Други механизми кои биле сугерирани во различни времиња за потеклото на Месечината се дека Месечината била исфрлена од стопената површина на Земјата со центрифугална сила; дека бил формиран на друго место и последователно бил заробен од гравитациското поле на Земјата; или дека Земјата и Месечината настанале во исто време и место од ист насобирачки диск. Ниту една од овие хипотези не може да го објасни високиот аголен моментум на системот Земја-Месечина.
Друга хипотеза го припишува формирањето на Месечината на ударот на голем астероид со Земјата многу подоцна отколку што се мислело, создавајќи го сателитот првенствено од остатоци од Земјата. Во оваа хипотеза, формирањето на Месечината се случува 60-140 милиони години по формирањето на Сончевиот Систем. Претходно, староста на Месечината се сметала дека е 4,527 ± 0,010 милијарди години. Ударот во ова сценарио би создал океан од магма на Земјата и прото-Месечината со двете тела кои споделуваат заедничка атмосфера на пареа од плазма метал. Заедничкиот метален парен мост би овозможил материјалот од Земјата и прото-Месечината да се разменуваат и да се изедначат во повообичаен состав.
Уште една хипотеза предлага дека Месечината и Земјата се формирале заедно наместо одделно како што сугерира хипотезата за џиновски удар. Овој модел, објавен во 2012 година од Робин М. Канап, сугерира дека Месечината и Земјата настанале од масивен судир на две планетарни тела, секое поголемо од Марс, кои потоа повторно се судриле и го формирале она што сега се нарекува Земја. По повторниот судир, Земјата била опкружена со диск од материјал, кој се насобрал за да ја формира Месечината. Оваа хипотеза може да објасни докази што другите не го прават тоа.
9 Дополнителна литература
* William K. Hartmann and Donald R. Davis, , (International Astronomical Union, Colloquium on Planetary Satellites, Cornell University, Ithaca, NY, Aug. 18–21, 1974) Icarus, vol. 24, April 1975, pp. 504–515
* Alastair G. W. Cameron and William R. Ward, , Abstracts of the Lunar and Planetary Science Conference, volume 7, p. 120, 1976
* Dana Mackenzie, ''The Big Splat, or How Our Moon Came to Be'', 2003, John Wiley & Sons, .