Почти разминулись. Какую роль могла сыграть встреча Земли и Тейи

В недавней статье «Облачный атлас: проекты для венерианского воздухоплавания» я приводил некоторые доводы в пользу того, что терраформирование поверхности скалистых планет Солнечной системы — задача, решение которой можно представить лишь в отдаленной исторической перспективе. Путь к терраформированию лежит через глобальную экологическую катастрофу на преобразуемой планете. Но эти скептические соображения возвращают меня к вопросам о том, а как же Земля не повторила судьбу Венеры, почему не оказалась в ловушке бесконтрольного парникового эффекта и не потеряла всю воду. Сегодня продолжу эту тему, рассказав о малоизвестной, но, несомненно, реальной странице в истории нашей планеты — столкновении Земли с телом сопоставимого размера около 4,5 миллиардов лет назад. Вероятно, из остатков этого небесного тела сформировалась Луна, а на Земле, в первую очередь, на дне Индийского океана, от этого контакта остались геологические отметины, получившие название «LLVP» (крупные области с низкой скоростью сдвига). Ранее я касался этих событий в статье «Беспокойный страж. Как Юпитер утряс солнечную систему». О встрече Земли с Тейей на Хабре ранее упоминали преимущественно в статьях о происхождении Луны. Описание самого этого столкновения нахожу лишь в публикации «Учёные смоделировали образование Луны: она могла появиться за несколько часов после столкновения Земли с другой планетой» от уважаемого Александра Тернавского @avouner и в статье «Глубоко под землёй нашли остатки древней планеты» от уважаемого @SLY_G Давайте обсудим эту историю подробнее.

Солнце зажглось примерно 4,6 миллиарда лет назад. Затем за первые 10 миллионов лет её развития сформировались газовые гиганты, а около 100 миллионов лет ушло на образование мелких скалистых планет. К тому времени в Солнечной системе было ещё очень холодно, а также оставалось множество блуждающих астероидов, комет и планетезималей. Многие планеты продолжали обрастать веществом (как считается сегодня, в процессе так называемой «галечной аккреции»), а в период с 4,1 по 3,8 миллиарда лет назад могла продлиться гипотетическая эпоха, именуемая «поздней тяжёлой бомбардировкой». В этот период планеты сталкивались с астероидами и более крупными телами, именно тогда возникла большая часть кратеров, наблюдаемых сегодня на поверхности Марса и Меркурия. Вероятно, именно в ходе тех событий сформировалась Луна. Ранее я писал на Хабре о том, что Луна очень велика по сравнению с Землёй, и что по некоторым оценкам система Земля‑Луна может считаться «двойной планетой», и с точки зрения небесной механики эта пара наиболее похожа на Плутон и Харон. Именно эти процессы переживала и юная Земля: постепенно выметала мусор с орбиты, набирала массу, подвергалась астероидной бомбардировке. Тогда и произошло катастрофическое столкновение Земли и небесного тела, сопоставимого с ней по массе. В результате Земля уцелела, а это тело разрушилось. Часть его вплавилась в земную кору, часть сконцентрировалась в виде Луны (возможно, Луна сложилась за считанные сутки или часы). Гипотезу о таком теле впервые предложил в 1999 году британский геохимик сэр Александер Норман Хэллидей (род. 1952), оценивший размеры этой планеты примерно в 0,25 от размеров Земли, то есть, как сопоставимые с Марсом.

Тейя — это героиня древнегреческой мифологии, титанида, мать Гелиоса (Солнца), Селены (Луны) и Эос (Зари).

Вероятно, до столкновения с Землёй Тейя была одной из скалистых планет, орбита её проходила в районе точек Лагранжа L4 или L5 в системе «Солнце‑Земля». В какой‑то момент орбита Тейи изменилась из‑за того, что Тейя сблизилась с более крупным небесным телом — вероятно, с Венерой. Сейчас невозможно определить, по какой именно траектории пролегала орбита Тейи, но, скорее всего, она была в зоне обитаемости.

Согласно такой картине, Луна полностью сложена из остатков Тейи. Но и в составе Земли должны были оказаться включения скальных пород разрушенной планеты. В 2023 году группа из Аризонского университета во главе с Цянь Юанем опубликовала статью, в которой связала с Тейей происхождение крупных областей с низкой скоростью сдвига (LLVSP). Они называются Тузо и Джейсон. Область Тузо расположена в мантии под территориями Африки, Восточной Атлантики и Индийского океана. Область Джейсон находится под водами Тихого океана.

Эти области известны с середины XX века, и связь их происхождения с ударом Тейи — гипотетическая. Среди других объяснений — «гипотеза тепловых скоплений», согласно которой такие регионы обусловлены исключительно давлением тепловых мантийных плюмов. Такие плюмы должны образовываться в результате подогрева мантии со стороны ядра — температура мантии составляет около 2000 градусов, а ядро значительно горячее, верхние его слои должны иметь температуру выше 4000 градусов.

Более сложная гипотеза объясняет происхождение этих геологических провинций через термохимические плюмы. В такой трактовке LLSVP уподобляются резервуарам, возникшим в результате мантийной конвекции, а также частичного расплавления остатков древних литосферных плит. Этот материал в течение миллионов лет скапливается на границе коры и мантии, дополнительно разогревается как в результате химических реакций, так и трения горных пород, а также подпитывается теплом мантии. На фоне этих гипотез версия об инопланетных включениях — безусловно, экзотическая. Особенно с учётом того, что и Тузо, и Джейсон сопоставимы по площади с целыми континентами.

Однако гипотеза о Тейе ценна с научной точки зрения потому, что породы этой планеты, вероятно, были плотнее земных. Поэтому через миллиарды лет провинции Тузо и Джейсон выглядят так, словно осколки Тейи легко пережили конвекционные процессы, а за счёт своего состава погрузились в самые нижние слои земной мантии, после чего через мантийные плюмы обогатили кору осмием, иридием и другими платиновыми металлами. По некоторым оценкам, до 80% африканских кимберлитовых трубок расположены именно над теми породами, под которыми покоятся LLVSP. Существующие модели показывают, что толщина остатков Тейи под Африкой может составлять от 350 до 500 километров.

Ещё одно косвенное свидетельство в пользу контакта Земли и Тейи находится в Индийском океане; речь идёт о так называемом «геоидном минимуме Индийского океана». Вот как он располагается на карте:

На территории более 3 миллионов квадратных километров уровень океана примерно на 100 метров ниже, чем в окружающих областях. Там же находится гравитационная аномалия, которую сравнивают с «воронкой». Эта впадина обусловлена существенным локальным снижением гравитации. Воронка возникла потому, что под африканской плитой, наоборот, наблюдается переизбыток массы.

Если понять и корректно смоделировать IOGL, можно объяснить природу мантийных плюмов, движение и субдукцию литосферных плит и взаимодействие земной коры с внешними слоями мантии. Как известно, наша планета не является строго шарообразной (её точная форма — это геоид, о чём на Хабре замечательно рассказала уважаемая Елена Журавлёва @Sovenka. В конечном счёте, такая форма Земли сложилась именно в результате столкновений Земли с мелкими небесными телами, особенно с метеоритами‑хондритами.

Согласно имеющимся оценкам, от 5% до 10% массы Земли приходится на углистые хондриты — распространённый класс метеоритов, бомбардировавших нашу планету. Космохимия принципиально разделяет метеориты‑хондриты, содержащие и не содержащие углерод. Можно считать, что два этих класса метеоритов являются двумя разными резервуарами веществ. Углистые хондриты формировались в отдалённых областях Солнечной системы, за снеговой линией, и поэтому содержали больше воды (водяного льда), органики и летучих веществ.

Пожалуй, этого запаса было бы слишком мало, чтобы на Земле сформировались океаны, а также ледники, которые в своё время могли бы быть столь обширными, что позволяют всерьёз рассматривать гипотезу «Земля‑снежок». Но в тот же самый период и Тейя собирала на себя кометы и метеориты, поэтому то столкновение, после которого она распалась, а Земля уцелела, могло преподнести нам недостающий материал, из которого впоследствии сформировалась наша гидросфера и начала формироваться биосфера. К сожалению, данные об этом процессе слишком скудны, чтобы воспроизвести его хотя бы в виде компьютерной симуляции. Более обширная симуляция, получившая название «Модель Ниццы», разрабатывается на основе трёх статей, опубликованных в 2005 году и объясняет, как наша система приобрела современные очертания. В частности, она учитывает расположение центрального пояса астероидов и пояса Койпера, распределение планет‑гигантов и то, как они приобрели свои многочисленные спутники. Но аналогов крупного столкновения Земля‑Тейя в нашей системе не наблюдается (за исключением, возможно, того события, из‑за которого Уран вращается практически на боку).

В рамках этой статьи модель Ниццы интересна потому, что как раз объясняет, по каким причинам Марс не смог обзавестись достаточным количеством воды. Ранее я не раз писал на Хабре о том, что Марс вполне мог более миллиарда лет обладать океанами и морями, а также о том, как он затем их лишился. Возможно, именно такой катаклизм, на который указывает гипотеза Тейи, позволил Земле избежать марсианской судьбы.

Импактная гипотеза также помогает понять минералогическое разнообразие земной коры. Кимберлитовые трубки, естественно, интересны как источник алмазов, но наряду с алмазами они вынесли в приповерхностные породы небольшие вкрапления минералов из глубокой мантии — ферропериклаз, бриджманит, различные перовскиты, рингвудит. О кимберлитовых трубках на Хабре можно подробнее почитать в отличной статье «От алмаза к бриллианту: через что проходит камень, прежде чем оказаться в украшении» уважаемой Екатерины Чумаковой @CatChum.

Наконец, именно столкновение с Тейей могло либо запустить, либо активизировать на Земле движение литосферных плит. Согласно некоторым расчётам, инициирующим фактором такого движения мог быть просто крупный метеорит, но более подробное исследование 2024 года, проведённое в Калтехе, указывает на тесную связь тектоники плит с расслоением мантии, осаждением остатков крупного инородного тела, активизацией субдукции и формированием многочисленных протяжённых вулканических регионов на нашей планете.