Модель ударного формування Місяця або гіпотеза гігантського зіткнення — астрогеологічна гіпотеза утворення Місяця, яку вперше запропонував 1946 року канадський геолог Реджиналд Делі. Вона стверджує, що Рання Земля зіткнулася з протопланетою розміром з Марс на коорбітальній траєкторії, імовірно з точки Лагранжа L4 або L5 на орбіті Землі приблизно 4,5 млрд років тому, у ранньому гадейському еоні (приблизно через 20–100 млн років після формування Сонячної системи), і частина після зіткнення згодом знову акреціювала та утворила Місяць. Планету-ударник іноді називають Тея — на честь міфічної грецької титаніди, матері Селени, богині Місяця.
Історія У 1898 році Джордж Дарвін висунув припущення, що Земля й Місяць колись були єдиним тілом. Згідно з його гіпотезою, розплавлений Місяць відокремився від Землі під дією відцентрових сил, і це пояснення тривалий час домінувало в науковому середовищі. Використовуючи ньютонівську механіку, він обчислив, що в минулому Місяць обертався значно ближче до Землі й поступово віддаляється від неї. Це віддалення згодом підтвердили експерименти американських та радянських науковців із застосуванням лазерних відбивачів, встановлених на Місяці.
Однак розрахунки Дарвіна не пояснювали механізм, який дозволив би простежити походження Місяця безпосередньо з поверхні Землі. 1946 року Реджиналд Олдворт Делі з Гарвардського університету поставив під сумнів це пояснення й запропонував модифікацію: утворення Місяця спричинило зіткнення, а не відцентрові сили. Ідея Дейлі довго залишалася поза увагою, аж поки її не відновили на конференції 1974 року, присвяченій супутникам; згодом її опублікували та обговорили в журналі «Icarus» у 1975 році і . Їхні моделі показували, що наприкінці формування планет існувало кілька тіл розміром із супутник, які могли або зіткнутися з планетами, або бути захопленими ними. Вони припустили, що одне з таких тіл могло зіткнутися із Землею, викинувши тугоплавкий, бідний на леткі речовини матеріал, який згодом злипся і сформував Місяць. Таке зіткнення могло пояснити унікальні геологічні та геохімічні властивості Місяця.
Подібний підхід запропонували канадський астроном і американський астроном , які вважали, що Місяць утворився внаслідок дотичного зіткнення Землі з тілом розміром із Марс. За цією гіпотезою, більшість зовнішніх силікатних шарів ударника випарувалися, тоді як металеве ядро залишилося неушкодженим. Отже, більша частина речовини, викинутої на орбіту, складалася із силікатів, що зумовило низький вміст заліза в Місяці. Леткіші речовини, викинуті під час зіткнення, ймовірно, залишили Сонячну систему, тоді як силікати мали тенденцію до злипання.
За вісімнадцять місяців до конференції з питань походження Місяця в жовтні 1984 року Білл Гартманн, Роджер Філліпс і Джефф Телор звернулися до колег із викликом: «У вас є вісімнадцять місяців. Поверніться до даних „Аполлона“, знову проаналізуйте їх на комп'ютерах і зробіть усе необхідне, але визначтеся зі своєю позицією. Не приходьте на нашу конференцію, якщо вам нічого сказати про народження Місяця». На конференції 1984 року в Коні (Гаваї) гіпотеза гігантського зіткнення стала найпоширенішою. У книзі про історію теорій походження Місяця Дана Макензі пише, що перед конференцією існували прихильники трьох «традиційних» теорій, декілька дослідників, які почали серйозно розглядати гігантське зіткнення, і велика байдужа більшість, що не вірила у можливість знаходження остаточної теорії. Натомість після конференції «фактично залишилися лише дві групи: прихильники гігантського зіткнення та агностики».
Нині існує декілька різновидів теорії зіткнення, які дають змогу пояснити цю однорідність. Зокрема, Тея могла бути масивнішою, ніж вважалося досі, або Місяць міг остигати довшеГипотезу ударного формирования Луны поставили под сомнение . Аналіз місячних порід, опублікований у 2016 році, свідчить, що гігантське зіткнення могло бути прямим, спричинивши фрагментацію та повне перемішування обох тіл.
Загальний опис Відповідно до моделі гігантського зіткнення, Місяць виник внаслідок зіткнення молодої Землі та небесного тіла, за розмірами подібного до Марса. Нині гіпотеза гігантського зіткнення є найпоширенішим поясненням утворення Місяця серед астрономів. Її підтверджують такі факти: Орбіта Місяця має орієнтацію, близьку до напрямку обертання Землі, зокрема подібний нахил до площини екліптики. Співвідношення у місячних і земних породах збігається, що свідчить про спільне походження. Система Земля — Місяць має аномально великий кутовий момент — значно більший, ніж у інших планет земної групи. Велике зіткнення могло забезпечити цей надлишок кутового моменту. Зразки Місяця показують, що Місяць колись був розплавленим на значну, хоча й невідому, глибину. Для цього могла знадобитися більша енергія, ніж та, що виділяється під час акреції тіла таких розмірів і маси. Надзвичайно енергійний процес, як-от гігантське зіткнення, міг забезпечити таку енергію. Місяць має відносно мале залізне ядро, через що його густина значно нижча, ніж у Землі. Комп'ютерні моделі показують, що під час зіткнення тіла розміром із Марс із Землею ядро ударника могло зануритися глибоко в Землю і злитися з її ядром. У такому разі Місяць, сформований із легших уламків кори та мантії, що опинилися за межами межі Роша й не повернулися під дією земної гравітації, містив би менше металевого заліза, ніж інші планетні тіла. Порівняно із Землею, Місяць збіднений на леткі речовини. Вони випаровуються за нижчих температур і могли бути втрачені під час зіткнення, бо слабша гравітація Місяця не дозволила їх утримати, на відміну від Землі. В інших зоряних системах спостерігають подібні зіткнення, що утворюють залишковий диск. Великі зіткнення узгоджуються з провідною теорією формування Сонячної системи.
Тея
Назва гіпотетичної протопланети походить від імені персонажа грецької міфології — титаніди Теї матері богині Місяця Селени. Це позначення вперше запропонував англійський геохімік у 2000 році, і воно стало загальноприйнятим у науковій спільноті. Згідно з сучасними теоріями формування планет, Тея належала до популяції тіл розміром із Марс, що існували в Сонячній системі 4,5 мільярда років тому. Вважають, що вона рухалася в конфігурації L4 або L5 системи Земля—Сонце, де могла залишатися тривалий час. Однією з переваг гіпотези гігантського зіткнення є узгодженість формування Землі та Місяця: у процесі свого формування Земля, імовірно, пережила десятки зіткнень із планетоподібними тілами. Зіткнення, що призвело до утворення Місяця, було лише одним із таких «гігантських ударів», але, ймовірно, останнім значним. Пізнє важке бомбардування значно меншими астероїдами могло відбутися пізнішеблизько 3,9 мільярда років тому.
На думку деяких вчених, зіткнення тіла розміром як Марс із Землею під таким кутом, щоби не зруйнувати планету, у поєднанні з «вдалим» кутом нахилу осі Землі (який забезпечує зміну пір року), плюс створення умов для потужної літосферної тектоніки (яка забезпечує відтворення «вуглецевого циклу»), — все це може бути свідченням на користь малої ймовірності виникнення життя взагалі, і, відповідно, вкрай малої ймовірності існування життя у найближчих областях Всесвіту. Ця гіпотеза отримала назву «гіпотеза виняткової Землі» ().
Однак у статті , яка вийшла 2004 року, Едвард Белбруно і Річард Готт зробили припущення, що гіпотетична протопланета Тея, яка зіткнулася з Землею, могла сформуватися в одній з точок Лагранжа системи Земля–Сонце — L4 або L5, а потім перейти на хаотичну орбіту, наприклад у підсумку гравітаційних збурень з боку інших планет, і вдарити Землю на більш-менш низькій швидкості.
Такий механізм суттєво підвищує ймовірність зустрічі небесного тіла із Землею за певних параметрів зіткнення. Моделювання, проведене 2005 року д-ром Робін Кенап, показало, що супутник Плутона Харон міг також утворитися приблизно 4,5 мільярда років тому від зіткнення Плутона з іншим тілом з поясу Койпера, діаметром від 1600 до 2000 км, яке вдарило планету на швидкості 1 км/с. Кенап вважає, що такий процес формування супутників планет міг бути звичною справою в молодій Сонячній системі. Такі планети на нестабільних орбітах пропадають дуже швидко після виникнення планетної системи, і обертання сучасних планет може пояснюватися цим механізмом.
У такому разі «гіпотеза унікальної Землі» зводиться лише до певного положення планети в нашій зоряній системі, великій кількості рідкої води на поверхні і важкому супутнику на низькій орбіті, який створює величезні припливи і перемішує вміст океану протягом мільярда років.
Деталі моделі
Астрономи вважають, що зіткнення між Землею та Теєю відбулося приблизно 4,4—4,45 млрд років тому, тобто приблизно через 0,1 млрд років після початку формування Сонячної системи. За астрономічними мірками швидкість зіткнення була помірною. Вважають, що Тея врізалася в Землю під косим кутом, коли Земля вже майже повністю сформувалася. Комп'ютерне моделювання цього сценарію «пізнього зіткнення» показує, що початкова швидкість ударника на «нескінченності» (тобто на відстані, де гравітаційне притягання не відіграє ролі) була меншою за 4 км/с, а в міру зближення зросла до понад 9,3 км/с в момент удару; кут зіткнення становив близько 45°. Вміст ізотопів кисню в місячних породах свідчить про інтенсивне перемішування речовини Теї та Землі, що вказує на великий кут зіткнення. Залізне ядро Теї, ймовірно, занурилося в ядро молодої Землі, а більша частина її мантії приєдналася до земної мантії. Проте значна частина мантійної речовини як Теї, так і Землі була на орбіту навколо Землі (якщо швидкість викиду лежала між першою та другою космічною швидкістю) або перейшла на окремі орбіти навколо Сонця (якщо швидкість була більшою за другу космічну).
Моделювання припускає, що речовина на орбіті навколо Землі могла сформувати Місяць у три послідовні етапи. Спочатку акреція відбувалася з тіл, які від самого початку перебували за межами межі Роша Землі й утримували внутрішній диск у межах цієї межі. Внутрішній диск повільно й в'язко розширювався до межі Роша, штовхаючи зовнішні тіла через резонансні взаємодії. Через кілька десятків років диск поширився за межу Роша й почав породжувати нові об'єкти, які продовжували нарощувати масу Місяця, аж поки через кілька сотень років внутрішній диск майже повністю не втратив масу. Речовина, що перебувала на стабільних кеплерівських орбітах, імовірно, пізніше потрапила до системи Земля — Місяць, оскільки кеплерівська орбіта самої системи навколо Сонця також є стабільною. Оцінки, засновані на комп'ютерному моделюванні, показують, що близько 20 % початкової маси Теї утворило навколо Землі кільце уламків, а приблизно половина цієї речовини зрештою об'єдналася в Місяць. Унаслідок такого зіткнення Земля отримала значний момент імпульсу та збільшила свою масу. Незалежно від швидкості та нахилу обертання Землі до зіткнення, після нього тривалість доби становила б близько п'яти годин, а земний екватор і орбіта Місяця стали б компланарними.
Не вся речовина кільця обов'язково мала одразу приєднатися до Місяця. Потовщена кора на зворотному боці Місяця дає підстави припускати, що в одній із точок Лагранжа Місяця сформувався другий супутник діаметром близько 1000 км. Менший супутник міг залишатися на орбіті протягом десятків мільйонів років. У міру того як обидва супутники віддалялися від Землі, сонячні припливні ефекти зробили лагранжеву орбіту нестійкою, що призвело до повільного зіткнення, яке «розмазало» менший супутник по поверхні сучасного зворотного боку Місяця, додавши матеріал до його кори. Місячна магма не може прориватися крізь товсту кору зворотного боку Місяця, тому там менше місячних морів, тоді як ближній бік має тоншу кору й містить великі моря, видимі із ЗемліPhil Plait, Why Do We Have a Two-Faced Moon?, Slate: Bad Astronomy blog, July 1, 2014.