Рост Луны за счет тел, выброшенных с Земли

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Изучена эволюция орбит тел, выброшенных с Земли на стадии ее аккумуляции и ранней эволюции при ударах крупных планетезималей. В рассмотренных вариантах расчетов движения тел, выброшенных с Земли, большая часть тел покидала сферу Хилла Земли и двигалась по гелиоцентрическим орбитам. Их динамическое время жизни достигало нескольких сотен миллионов лет. При более высоких скоростях выброса vej вероятности столкновений тел с Землей и Луной в основном были ниже. На всем рассматриваемом интервале времени при скорости выброса vej, равной 11.5, 12 и 14 км/с, значения вероятности столкновения тела с Землей составляли примерно 0.3, 0.2 и 0.15–0.2 соответственно. При скоростях выброса vej ≤ 11.25 км/с, т. е. немного превышающих параболическую скорость, большая часть выброшенных тел выпадала обратно на Землю. Вероятность столкновения выброшенного с Земли тела с Луной, движущейся по ее современной орбите, была примерно в 15–35 раз меньше, чем с Землей при vej ≥ 11.5 км/с. Вероятность столкновения таких тел с Луной составляла в основном около 0.004–0.008 при скоростях выброса не менее 14 км/с и около 0.006–0.01 при vej = 12 км/с. Она была больше при меньших скоростях выброса и была в диапазоне 0.01–0.02 при vej = 11.3 км/с. На Луне может находиться вещество, выброшенное с Земли при аккумуляции Земли и при поздней тяжелой бомбардировке. При этом, как получено в наших расчетах, тел, выброшенных с Земли и упавших на зародыш Луны, было бы недостаточно для того, чтобы Луна выросла до своей современной массы из маленького зародыша, двигавшегося по современной орбите Луны. Этот результат свидетельствует в пользу образования лунного зародыша и дальнейшего его роста до большей части современной массы Луны вблизи Земли. Нам кажется более вероятным, что первоначальный зародыш Луны с массой не более 0.1 от массы Луны образовался одновременно с зародышем Земли из общего разреженного сгущения. Для более эффективного роста зародыша Луны желательно, чтобы при некоторых соударениях тел-ударников с Землей выброшенные тела не просто вылетали из кратера, а часть вещества выходила на орбиты вокруг Земли, как в модели мультиимпактов. Средние скорости столкновений выброшенных тел с Землей тем больше, чем больше скорость выброса. Значения этих скоростей столкновений составили около 13, 14–15, 14–16, 14–20, 14–25 км/с при скорости выброса, равной 11.3, 11.5, 12, 14 и 16.4 км/с соответственно. Скорости столкновений тел с Луной были также выше при больших скоростях выброса и находились в основном в пределах 7–8, 10–12, 10–16 и 11–20 км/с при vej, равной 11.3, 12, 14 и 16.4 км/с соответственно.

About the authors

C. И. Ипатов

Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН

Author for correspondence.
Email: siipatov@hotmail.com
Russian Federation, Москва

References

  1. Артемьева Н.А., Шувалов В.В. Численное моделирование высокоскоростных ударных выбросов при падении на Луну комет и астероидов // Астрон. вестн. 2008. Т. 42. № 4. С. 351–356. (Artemieva N.A. Shuvalov V.V. Numerical simulation of high-velocity impact ejecta following falls of comets and asteroids onto the Moon // Sol. Syst. Res. 2008. V. 42. № 4. P. 329–334).
  2. Афанасьев В.Н., Печерникова Г.В. О вероятности захвата допланетных тел в протолунный рой при формировании системы Земля–Луна // Астрон. вестн. 2022. Т. 56. № 6. С. 389–409. (Afanas’ev V.N., Pechernikova G.V. On the probability of capturing preplanetary bodies into the protolunar swarm during the formation of the Earth–Moon system // Sol. Syst. Res. 2022. V. 56. № 6. P. 382–402).
  3. Васильев С.В., Кривцов А.М., Галимов Э.М. Исследование процесса роста системы планета-спутник в результате аккумуляции вещества пылевого облака // Астрон. вестн. 2011. Т. 45. С. 420–429. (Vasil’ev S.V., Krivtsov A.M., Galimov E.M. Study of the planet-satellite system growth process as a result of the accumulation of dust cloud material // Sol. Syst. Res. 2011. V. 45. № 5. P. 410–419).
  4. Витязев А.В., Печерникова Г.В. Ранняя дифференциация Земли и проблема лунного состава // Физика Земли. 1996. № 6. С. 3–16.
  5. Галимов Э.М. Проблема происхождения системы Земля–Луна // Проблемы зарождения и эволюции биосферы / Ред. Галимов Э.М. М.: Наука, 1995. С. 8–45.
  6. Галимов Э.М. Современное состояние проблемы происхождения системы Земля–Луна // Проблемы зарождения и эволюции биосферы / Ред. Галимов Э.М. М.: Книжный дом “ЛИБРОКОМ”, 2008. С. 213–222.
  7. Галимов Э.М. Образование Луны и Земли из общего супрапланетного газо-пылевого сгущения // Геохимия. 2011. Т. 6. № 6. С. 563–580.
  8. Галимов Э.М. Анализ изотопных систем (Hf-W, Rb-Sr, J-Pu-Xe, U-Pb) применительно к проблеме формирования планет на примере системы Земля–Луна // Проблемы зарождения и эволюции биосферы / Ред. Галимов Э.М. М.: КРАСАНД, 2013. С. 47–59.
  9. Галимов Э.М., Кривцов А.М., Забродин А.В., Легкоступов М.С., Энеев Т.М., Сидоров Ю.И. Динамическая модель образования системы Земля-Луна // Геохимия. 2005. № 11. С. 1139–1150.
  10. Горькавый Н.Н. Образование Луны и двойных астероидов // Изв. Крым. Астрофиз. Обс. 2007. Т. 103. № 2. С. 143–155.
  11. Жарков В.Н. Об истории лунной орбиты // Астрон. вестн. 2000. Т. 34. С. 1–11. (Zharkov V.N. On the history of the lunar orbit // Sol. Syst. Res. 2000. V. 34. P. 1–11).
  12. Ипатов С.И. Времена эволюции дисков планетезималей // Астрон. журн. 1988. Т. 65. № 5. С. 1075–1085.
  13. Ипатов С.И. Миграция небесных тел в Солнечной системе. Изд-во УРСС, 2000. 320 с. (также Изд. стереотип. URSS. 2021. 320 с.). https://doi.org/10.17513/np.451. https://elibrary.ru/item.asp?id=46237738. http://www.rfbr.ru/rffi/ru/books/o_29239
  14. Ипатов С.И. Формирование транснептуновых спутниковых систем на стадии сгущений // Астрон. вестн. 2017a. Т. 51. № 4. С. 321–343. (Ipatov S.I. Formation of trans-Neptunian satellite systems at the stage of condensations // Sol. Syst. Res. 2017a. V. 51. № 4. P. 294–314). https://doi.org/10.1134/S0038094617040013, https://arxiv.org/abs/1801.05217
  15. Ипатов С.И. Формирование орбит меньших компонент в обнаруженных двойных объектах транснептунового пояса // Астрон. вестн. 2017б. Т. 51. № 5. С. 441–449. (Ipatov S.I. Origin of orbits of secondaries in the discovered trans-Neptunian binaries // Sol. Syst. Res. 2017b. V. 51. № 5. P. 409–416.). https://doi.org/10.1134/S0038094617050045, https://arxiv.org/abs/1801.05254
  16. Ипатов С.И. Формирование зародышей Земли и Луны из общего разреженного сгущения и их последующий рост // Астрон. вестн. 2018. Т. 52. № 5. С. 411–426. (Ipatov S.I. Formation of embryos of the Earth and the Moon from the common rarefied condensation and the subsequent growth // Sol. Syst. Res. 2018. V. 52. № 5. P. 401–416). https://doi.org/10.1134/S0038094618050040. http://arxiv.org/abs/2003.09925. https://www.academia.edu/38545653/
  17. Ипатов С.И. Вероятности столкновений планетезималей из различных областей зоны питания планет земной группы с формирующимися планетами и Луной // Астрон. вестн. 2019. Т. 53. № 5. С. 349–379. https://elibrary.ru/item.asp?id=39180392, doi: 10.1134/S0320930X19050049. (Ipatov S.I. Probabilities of collisions of planetesimals from different regions of the feeding zone of the terrestrial planets with forming planets and the Moon // Sol. Syst. Res. 2019. V. 53. № 5. P. 332–361. https://doi.org/10.1134/S0038094619050046. http://arxiv.org/abs/2003.11301. https://rdcu.be/bRVA8. https://www.academia.edu/42216860)
  18. Маров М.Я., Ипатов С.И. Формирование Земли и Луны: влияние малых тел // Геохимия. 2021. Т. 66. № 11. С. 964–971. doi: 10.31857/S0016752521110078. http://arxiv.org/abs/2112.06047
  19. Маров М.Я., Ипатов С.И. Процессы миграции в Солнечной системе и их роль в эволюции Земли и планет // Успехи физ. наук 2023. Т. 193. № 1. С. 2–32. https://doi.org/10.3367/UFNr.2021.08.039044. http://arxiv.org/abs/2309.00716
  20. Маров М.Я., Воропаев С.А., Ипатов С.И., Бадюков Д.Д., Слюта Е.Н., Стенников А.В., Федулов В.С., Душенко Н.В., Сорокин Е.М., Кронрод Е.В. Формирование Луны и ранняя эволюция Земли. М.: URSS, 2019. 320 с.
  21. Мелош Г. Образование ударных кратеров: геологический процесс. Пер. с англ. М.: Мир, 1994. 336 с.
  22. Рускол Е.Л. О происхождении Луны. I: Образование околоземного роя тел // Астрон. журн. 1960. Т. 37. № 4. С. 690–702.
  23. Рускол Е.Л. О происхождении Луны. II: Рост Луны в околоземном спутниковом рое // Астрон. журн. 1963. Т. 40. № 2. С. 288–296.
  24. Рускол Е.Л. О происхождении Луны. III: Некоторые вопросы динамики околоземного роя // Астрон. журн. 1971. Т. 48. № 4. С. 819–829.
  25. Рускол Е.Л. Происхождение Луны. М.: Наука, 1975. 188 с.
  26. Шувалов В.В., Трубецкая И.А. Численное моделирование высокоскоростных выбросов при ударах комет и астероидов: предварительные результаты // Астрон. вестн. 2011. Т. 45. № 5. С. 402–411. (Shuvalov V.V., Trubetskaya I.A. Numerical simulation of high-velocity ejecta following comet and asteroid impacts: preliminary results // Sol. Syst. Res. 2011. V. 45. Р. 392–401).
  27. Armstrong J.C., Wells L.E., Guillermo G. Rummaging through Earth’s attic for remains of ancient life // Icarus. 2002. V. 160. P. 183–196.
  28. Artemieva N. From the Moon to the Earth without Jules Verne – lunar meteorites and lunar dust delivery // 45th Lunar and Planet. Sci. Conf. 2014. #1659. (Abstract).
  29. Barnouin O.S., Dalya R.T., Cintala M.J., Crawford D.A. Impacts into coarse-grained spheres at moderate impact velocities: Implications for cratering on asteroids and planets // Icarus. 2019. V. 325. P. 67–83.
  30. Barr A.C. On the origin of Earth’s Moon // J. Geophys. Res.: Planets. 2016. V. 121. P. 1573–1601. https://arxiv.org/pdf/1608.08959.pdf.
  31. Beech M., Comte M., Coulson I. The production of terrestrial meteorites – Moon accretion and lithopanspermia // Am. J. Astron. and Astrophys. 2019. V. 7. № 1. P. 1–9.
  32. Bottke W.F., Norman M.D. The late heavy bombardment // Ann. Rev. Earth and Planet. Sci. 2017. V. 45. P. 619–647.
  33. Bulirsh R., Stoer J. Numerical treatment of ordinary differential equations by extrapolation methods // Num. Math. 1966. № 8. P. 1–13.
  34. Cameron A.G.W., Ward W.R. The origin of the Moon // Lunar and Planet. Sci. Conf. 1976. V. 7. P. 120–122 (Abstract).
  35. Canup R.M. Simulations of a late lunar-forming impact // Icarus. 2004. V. 168. № 2. P. 433–456.
  36. Canup R.M. Forming a Moon with an Earth-like composition via a giant impact // Science. 2012. V. 338. P. 1052–1055.
  37. Canup R.M., Asphaug E. Origin of the Moon in a giant impact near the end of the Earth’s formation // Nature. 2001. V. 412. № 6848. P. 708–712.
  38. Canup R.M., Barr A.C., Crawford D.A. Lunar-forming impacts: High-resolution SPH and AMR-CTH simulations // Icarus. 2013. V. 222. P. 200–219.
  39. Canup R.M., Righter K., Dauphas N., Pahlevan K., Ćuk M., Lock S.J., Stewart S.T., Salmon J., Rufu R., Nakajima M., Magna T. Origin of the Moon // New views of the Moon II. Book chapter. 2021. 71 р. https://arxiv.org/abs/2103.02045
  40. Chambers J.E. A hybrid symplectic integrator that permits close encounters between massive bodies // Mon. Notic. Roy. Astron. Soc. 1999. V. 304. P. 793–799.
  41. Citron R.I., Aharonson O., Perets H., Genda H. Moon formation from multiple large impacts // 45th Lunar and Planet. Sci. Conf. 2014. #2085 (Abstract).
  42. Cuk M., Stewart S.T. Making the Moon from a fast-spinning Earth: A giant impact followed by resonant despinning // Science. 2012. V. 338. P. 1047–1052.
  43. Cuk M., Hamilton D.P., Lock S.J., Stewart S.T. Tidal evolution of the Moon from a high-obliquity, high-angular-momentum Earth // Nature. 2016. V. 539. P. 402–406.
  44. Cuzzi J.N., Hogan R.C. Primary accretion by turbulent concentration: The rate of planetesimal formation and the role of vortex tubes // 43th Lunar and Planet. Sci. Conf. 2012. #2536 (Abstract).
  45. Cuzzi J.N., Hogan R.C., Sharif K. Toward planetesimals: Dense chondrule clumps in the protoplanetary nebula // Astrophys. J. 2008. V. 687. P. 1432–1447.
  46. Cuzzi J.N., Hogan R.C., Bottke W.F. Towards initial mass functions for asteroids and Kuiper belt objects // Icarus. 2010. V. 208. P. 518–538.
  47. Frantseva K, Nesvorný D, Mueller M., van der Tak F.F.S., ten Kate I.L., Pokorný P. Exogenous delivery of water to Mercury // Icarus. 2022. V. 383. id. 114980 (11 pp.).
  48. Gallant J., Gladman B., Cuk M. Current bombardment of the Earth-Moon system: Emphasis on cratering asymmetries // Icarus. 2009. V. 202. P. 371–382.
  49. Gattacceca J., Debaille V., Devouard B., Leya I., Jourdan F., Braucher R., Roland J., Pourkhorsandi H., Goderis S., Jambon A. Northwest Africa 13188: a possible meteorite … from Earth! // Abstracts of Goldschmidt Conf. 2023. https://conf.goldschmidt.info/goldschmidt/2023/meetingapp.cgi/Paper/20218
  50. Gladman B., Dones L., Levison H.F., Burns J.A. Impact seeding and reseeding in the inner Solar System // Astrobiology. 2005. V. 5. Р. 483–496. https://www.liebertpub.com/doi/10.1089/ast.2005.5.483
  51. Galimov E.M., Krivtsov A.M. Origin of the Moon. New concept. Berlin.: De Gruyter, 2012. 168 p.
  52. Gorkavyi N.N. The new model of the origin of the Moon // Bull. Am. Astron. Soc. 2004. V. 36. Abstr. P. 861.
  53. Hartmann W.K., Davis D.R. Satellite-sized planetesimals and lunar origin // Icarus. 1975. V. 24. P. 504–515.
  54. Holsapple K.A., Housen K.R. A crater and its ejecta: An interpretation of deep impact // Icarus. 2007. V. 187. P. 345–356.
  55. Ipatov S.I. Collisions of bodies ejected from several places on the Earth and the Moon with the terrestrial planets and the Moon // Abstracts of 54nd Lunar and Planet. Sci. Conf. 2023. #1508. https://www.hou.usra.edu/meetings/lpsc2023/pdf/1508.pdf
  56. Ipatov S.I., Mather J.C. Migration of trans-Neptunian objects to the terrestrial planets // Earth, Moon, and Planets. 2003. V. 92. P. 89–98. https://doi.org/10.1023/B:MOON.0000031928.45965.7b. http://arXiv.org/format/astro-ph/0305519
  57. Ipatov S.I., Mather J.C. Comet and asteroid hazard to the terrestrial planets // Adv. Space Res. 2004a. V. 33. P. 1524–1533. https://doi.org/10.1016/S0273–1177(03)00451–4. http://arXiv.org/format/astro-ph/0212177
  58. Ipatov S.I., Mather J.C. Migration of Jupiter-family comets and resonant asteroids to near-Earth space // Ann. NY. Acad. Sci. 2004b. V. 1017. P. 46–65. https://doi.org/10.1196/annals.1311.004. http://arXiv.org/format/astro-ph/0308448.
  59. Johansen A., Oishi J.S., Mac Low M.-M., Klahr H., Henning T., Youdin A. Rapid planetesimal formation in turbulent circumstellar disks // Nature. 2007. V. 448. P. 1022–1025.
  60. Johansen A., Youdin A., Klahr H. Zonal flows and long-lived axisymmetric pressure bumps in magnetorotational turbulence // Astrophys. J. 2009a. V. 697. P. 1269–1289.
  61. Johansen A., Youdin A., Mac Low M.-M. Particle clumping and planetesimal formation depend strongly on metallicity // Astrophys. J. 2009b. V. 704. P. L75–L79.
  62. Johansen A., Klahr H., Henning T. High-resolution simulations of planetary formation in turbulent protoplanetary discs // Astron. and Astrophys. 2011. V. 529. id. A62 (16 p.).
  63. Johansen A., Youdin A.N., Lithwick Y. Adding particle collisions to the formation of asteroids and Kuiper belt objects via streaming instabilities // Astron. and Astrophys. 2012. V. 537. id. A125 (17 p.).
  64. Levison H.F., Duncan M.J. The long-term dynamical behavior of short-period comets // Icarus. 1994. V. 108. P. 18–36.
  65. Lyra W., Johansen A., Klahr H., Piskunov N. Embryos grown in the dead zone. Assembling the first protoplanetary cores in low mass self-gravitating circumstellar disks of gas and solids // Astron. and Astrophys. 2008. V. 491. P. L41–L44.
  66. Lyra W., Johansen A., Zsom A., Klahr H., Piskunov N. Planet formation bursts at the borders of the dead zone in 2D numerical simulations of circumstellar disks // Astron. and Astrophys. 2009. V. 497. P. 869–888.
  67. Melosh H. Ejection of rock fragments from planetary bodies // Geology. 1985. V. 13. P. 144–148.
  68. Őpik E.J. Collision probabilities with the planets and the distribution of interplanetary matter // Proc. Roy. Irish Acad. Sect. A. 1951. V. 54. P. 165–199.
  69. Pahlevan K., Morbidelli A. Collisionless encounters and the origin of the lunar inclination // Nature. 2015. V. 527. № 7579. P. 492–494. (https://arxiv.org/abs/1603.06515)
  70. Raducan S.D., Davison T.M., Collins G.S. Ejecta distribution and momentum transfer from oblique impacts on asteroid surfaces // Icarus. 2022. V. 374. article id. 114793 (16 p.). (https://arxiv.org/abs/2105.01474)
  71. Reyes-Ruiz M., Chavez C.E., Aceves H., Hernandez M.S., Vazquez R., Nuñez P.G. Dynamics of escaping Earth ejecta and their collision probabilities with different Solar System bodies // Icarus. 2012. V. 220. Р. 777–786.
  72. Ringwood A.E. Flaws in the giant impact hypothesis of lunar origin // Earth and Planet. Sci. Lett. 1989. V. 95. № 3–4. P. 208–214.
  73. Rufu R., Aharonson O. A multiple impact hypothesis for Moon formation // 46th Lunar and Planet. Sci. Conf. 2015. #1151 (Abstract).
  74. Rufu R., Aharonson O., Perets H.B. A multiple-impact origin for the Moon // Nature Geosci. 2017. V. 10. P. 89–94.
  75. Rufu R., Salmon J., Pahlevan K., Visscher C., Nakajima M., Righter K. The origin of the Earth-Moon system as revealed by the Moon // Bull. Am. Astron. Soc. 2021. V. 53. № 4 (Planet. Sci. and Astrobiology Decadal Surv. 2023–2032, white paper). e-id. 238. doi: 10.3847/25c2cfeb.6e7d4ab6
  76. Salmon J., Canup R.M. Lunar accretion from a Roche-interior fluid disk // Astrophys. J. 2012. V. 760. id. A83. (18 p.).
  77. Svetsov V. Cratering erosion of planetary embryos // Icarus. 2011. V. 214. P. 316–326.
  78. Svetsov V.V., Pechernikova G.V., Vityazev A.V. A model of Moon formation from ejecta of macroimpacts on the Earth // 43th Lunar and Planet. Sci. Conf. 2012. #1808 (Abstract).
  79. Touma J., Wisdom J. Evolution of the Earth-Moon system // Astron. J. 1994. V. 108. № 5. P. 1943–1961.
  80. Wang N., Zhou J-L. Analytical formulation of lunar cratering asymmetries // Astron. and Astrophys. 2016. V. 594. id. A52. (25 p.).
  81. Youdin A.N. On the formation of planetesimals via secular gravitational instabilities with turbulent stirring // Astrophys. J. 2011. V. 731. id. A99 (18 p.).
  82. Youdin A.N., Kenyon S.J. From disks to planets // Planets, Stars and Stellar Systems. Solar and Stellar Planetary Systems / Eds: Oswalt T.D., French L.M., Kalas P. Dordrecht: Springer Science+Business Media, 2013. V. 3. P. 1–62. http://dx.doi.org/10.1007/978-94-007-5606-9_1

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2024 The Russian Academy of Sciences