Новые данные показывают, что самые молодые вулканические образования на Луне связаны с базальтовыми лавами из Океана Бурь, региона с высоким содержанием изотопов, выделяющих тепло, — калия, тория и урана. Китайскому аппарату «Чанъэ-5» удалось собрать образцы этих молодых лунных базальтов и вернуть их на Землю для лабораторного анализа. Китайские ученые установили очень точный возраст этих лав —1963±57 млн лет — и определили их химический и минералогический состав. Полученные результаты накладывают новые ограничения на хронологию столкновений крупных объектов во внутренней части Солнечной системы на заре ее формирования и на вулканическую эволюцию самой Луны. Статья об этом опубликована в журнале Science.
В общей сложности в декабре 2020 года китайская автоматическая станция «Чанъэ-5» сумела доставить на Землю 1,73 кг образцов лунного реголита и камней из Океана Бурь. С тех пор исследователи, получившие доступ к этим материалам, занимаются их изучением и пытаются раскрыть секреты Солнечной системы, которые они могут в себе хранить.
«Чанъэ-5» — это первый китайский возвращаемый аппарат и первая возвращаемая с Луны миссия с грунтом за 45 лет, с 1976 года, со времен советской АМС «Луна-24». Китай тем самым стал третьим государством в мире, доставившим образцы грунта с Луны. «Чанъэ-5» совершил посадку на краю Океана Бурь, участке Луны, ранее не исследованном советскими «Лунами» и американскими «Аполлонами».
«Образцы «Чанъэ-5» очень разнообразны и включают в себя как материалы непосредственно лунного происхождения, так и прибывшие извне, в том числе обломки, образовавшиеся при бомбардировке микрометеоритами, кремнезем, соли, остекленевшие фрагменты вулканического и ударного происхождения, разного рода минералы и горные породы. Формирование лунной поверхности — очень сложный процесс, влияние на который оказывает также солнечный ветер, удары микрометеоритов и перепады температур. Около 90% образцов — просто рыхлый лунный реголит, базальты, однако 10% включают в себя остатки метеоритов и шарики из вулканического стекла. Для сбора образцов «Чанъэ-5» использовал бур и специальный манипулятор. Возвращаемая капсула приземлилась в китайском регионе Внутренняя Монголия 16 декабря 2020 года.
Особый интерес ученых, стремящихся заполнить пробелы в знаниях о Луне и ранней эволюции Солнечной системы, вызвали два крошечных кусочка грунта, каждый размером всего в несколько миллиметров, оказавшиеся в составе собранных «Чанъэ-5» пород.
«Это идеальные образцы, чтобы преодолеть разрыв в 2 миллиарда лет (между 1 и 3 миллиардами)», — считает Брэд Джоллифф, планетолог из Вашингтонского университета в Сент-Луисе (Миссури) и соавтор нового исследования, которое проводилось в основном группой из Пекина. Этот незаполненный промежуток простирается от 3 млрд лет, когда сформировалось большинство горных пород из образцов, собранных «Аполлонами», до примерно миллиарда лет, когда образовались некоторые молодые и поддающиеся внешней датировке ударные кратеры.
Ученые, которые надеются проследить в лунных горных породах все 4,5 млрд лет истории Солнечной системы, объединили эти образцы с данными по лунным кратерам, получив таким образом возможность достоверной калибровки. «Планетологи знают, что чем больше кратеров на поверхности, тем она старше, а чем кратеров меньше, тем поверхность моложе, — пояснил Джоллифф. — Это хороший способ сравнительной оценки, однако для того, чтобы установить абсолютный возраст этих пород, необходимо иметь доставленные оттуда образцы».
Теперь ученые смогли сравнить образцы «Чанъэ-5» и «Аполлонов», сопоставив возраст пород, определяемый в результате лабораторных анализов, и подсчеты кратеров на соответствующем участке Луны. Эти данные теперь можно распространить и на другие лунные поверхности, подвергшиеся бомбардировке метеоритами, а также на другие небесные тела по всей Солнечной системе, куда еще долго не попадут возвращаемые аппараты, способные доставить грунт в земные лаборатории.
«В этом исследовании мы получили очень точный возраст — около 2 миллиардов лет, плюс-минус 50 миллионов лет, — говорит Джоллифф. — Это феноменальный результат. С точки зрения планетарного времени это очень точное определение».
Возраст этих образцов также важен, потому что они представляют особый тип породы — базальты, которые образуются во время извержений вулканов. Прежде имелись лишь доказательства существования на Луне лавовых потоков возрастом от 3 млрд лет. В принципе, в изучаемом регионе действительно надеялись найти самые молодые из лунных базальтов, потому что лунная кора там тонкая и относительно богата элементами, выделяющими тепло. Однако удивление исследователей вызвало то, что вулканическая активность на Луне продолжалась до столь поздних сроков. Лунные камни и грунт, доставленные американскими «Аполлонами» и советскими «Лунами», показывали: вулканическая активность на Луне завершилась в основном еще на раннем этапе ее развития, 4 млрд лет назад. После этого извержения вулканов происходили очень редко, поскольку Луна — относительно небольшое небесное тело в сравнении с той же Землей или Марсом, она гораздо быстрее остывала.
Чрезвычайная молодость горных пород по геологическим меркам на месте высадки китайского аппарата ставит перед учеными новые вопросы. Никаких свидетельств высокой концентрации элементов, выделяющих тепло, в глубокой мантии Луны, породившей эти базальтовые лавы, не найдено, поэтому теперь необходимы альтернативные объяснения такой долговечности лунного магматизма, считают авторы нового исследования.