Суперкомпьютер раскрыл тайну происхождения Луны

С середины 1970-х астрономы считали, что Луна могла образоваться в результате столкновения Земли с древней протопланетой размером с Марс под названием Тейя. Колоссальное столкновение должно было создать огромное поле обломков, из которого медленно формировался наш спутник на протяжении тысячелетий.
Но новая гипотеза, основанная на моделировании с помощью суперкомпьютера, выполненном с более высоким разрешением, чем когда-либо прежде, предполагает, что формирование Луны, возможно, не было медленным и постепенным процессом, а произошло всего за несколько часов.

Высокое разрешение в ходе исследования стало первоочередным фактором, повлиявшим на результат, считают авторы исследования. «Очень сложно предсказать, какое разрешение вам потребуется для надежной имитации подобного сложного столкновения. Вам просто нужно продолжать тестирование, пока не выяснится, что дальнейшее увеличение разрешения перестает влиять на ответ, который вы получаете, — рассказал Джейкоб Кегеррайс, вычислитель-космолог из Даремского университета в Англии.
Первые сведения о происхождении Луны ученые получили после возвращения миссии «Аполлон-11» в июле 1969 года, когда астронавты НАСА Нил Армстронг и Базз Олдрин доставили на Землю 21,6 килограммов лунной породы и пыли. Образцы датированы примерно 4,5 миллиардами лет назад, что указывает на то, что создание Луны приходится на бурный период примерно через 150 миллионов лет после образования Солнечной системы.
Другие подсказки указывают на то, что наш крупнейший естественный спутник родился в результате сильного столкновения Земли с гипотетической планетой, которую ученые назвали в честь мифического греческого титана Тейи — матери Селены, богини Луны. Среди этих косвенных доказательств - сходство в составе лунных и земных пород, одинаковая ориентация вращения Земли и орбиты Луны, высокий суммарный угловой момент двух тел, а также существование сходных по составу обломков в других местах нашей Солнечной системы.

Однако вопрос о том, как именно произошло космическое столкновение, остается предметом споров. Традиционная гипотеза предполагает, что, когда Тейя врезалась в Землю, столкновение с планетой разбило Тейю на миллионы осколков, превратив ее в плавающие обломки. Разбитые останки Тейи вместе с испарившимися камнями и газом, вырвавшимся из мантии нашей молодой планеты, медленно смешались в диск, вокруг которого в течение миллионов лет слилась и остыла расплавленная сфера Луны .
Несмотря на непротиворечивость гипотезы, некоторые части картины остаются неясными. Один из самых дискуссионных вопросов звучит так: почему, если Луна в основном состоит из вещества Тейи, многие из ее камней имеют поразительное сходство с найденными на Земле? Некоторые ученые предположили, что на создание Луны ушло больше испарившихся земных камней, чем испепеленных остатков Тейи, но эта идея генерирует новые вопросы. К при меру, судя по результатам моделирования, Луна, состоящая в основном из раздробленных земных камней, имела бы совершенно другую орбиту, чем та, которую мы видим сегодня.
Чтобы исследовать различные возможные сценарии формирования Луны после столкновения, авторы нового исследования обратились к компьютерной программе под названием SPH With Inter-depended Fine-Grapined Tasking (SWIFT), которая предназначена для точного моделирования сложной и постоянно меняющейся сети гравитационных и гидродинамических сил, которые действуют на большие количества материи. Проделать подобные исследования с высокой точностью — непростая вычислительная задача, поэтому ученые использовали суперкомпьютер, систему под названием COSMA (сокращение от «космологическая машина») в Центре распределенных исследований Даремского университета с использованием передовых вычислений (DiRAC).

Используя COSMA для моделирования сотен вариантов столкновения Земли и Тейи с разными углами, вращениями и скоростями, исследователи смогли смоделировать последствия астрономической катастрофы с более высоким разрешением, чем когда-либо прежде. Разрешение в этих симуляциях задается количеством частиц, которые использует симуляция. По словам Кегеррайса, для гигантских столкновений стандартное разрешение моделирования обычно составляет от 100 000 до 1 миллиона частиц, но в новом исследовании он и его коллеги смогли смоделировать до 100 миллионов частиц.
«С более высоким разрешением мы можем изучать больше деталей — так же, как большой телескоп позволяет делать снимки далеких планет или галактик с более высоким разрешением, чтобы открывать новые детали, — объяснил Кегеррайс. - Кроме того, что даже более важно, использование слишком низкого разрешения при моделировании может дать вводящие в заблуждение или даже просто неверные ответы. Представьте: если вы соберете модель автомобиля из игрушечных блоков, чтобы имитировать, как машина может сломаться при аварии, то, если вы используете всего несколько десятков блоков, она может просто идеально расколоться посередине. Но использовав несколько тысяч или миллион блоков, вы можете начать комкать и ломать ее более реалистично».
Моделирование с более высоким разрешением неожиданно показало исследователям, что Луна, вероятно, сформировалась за считанные часы из выброшенных кусков Земли и осколков Тейи. В результате ученые выдвинули теорию одностадийного формирования, которая дает четкий и элегантный ответ на причины формирования видимых свойств Луны, таких, как широкая наклоненная орбита, частично расплавленная внутренняя часть и тонкая поверхность.