Походження Місяця зазвичай пояснюють гіпотезою гігантського зіткнення. За цією гіпотезою тіло розміром із Марс, яке називають Теєю, зіткнулося з прото-Землею, утворивши велике кільце уламків навколо Землі, яке згодом шляхом акреції сформувало Місяць. Ця гіпотеза знаходить своє підтвердження, зокрема, в тому, що співвідношення ізотопів кисню й титану на Місяці виявляється надзвичайно близьким до земного. Існує декілька варіантів гіпотези гігантського зіткнення, а також низка альтернативних пояснень, і дослідження процесу формування Місяця тривають. Серед інших запропонованих сценаріїв — захоплення небесного тіла, поділ, спільне формування (акреція, ), різні типи ударних подій.
Історичні погляди на походження Місяця Місяць своїм виглядом та фактом існування завжди вражав людство. У давнину багато народів поклонялися Місяцю як божеству. Давні греки, мабуть, першими почали вивчати Місяць, використовуючи науковий підхід. У III ст. до н. е. Арістарх Самоський, спостерігаючи земну тінь на Місяці під час місячних затемнень, оцінив відстань до Місяця в шістдесят радіусів Землі (за сучасними даними, радіус місячної орбіти змінюється в межах від 55 до 63 земних радіусів). Плутарх вважав, що на Місяці можуть жити істоти — . Вважалося, що темні плями на Місяці — це моря, а світлі місця — суша.
В 1609 році Галілео Галілей виявив на Місяці гори та кратери, розгледівши в телескоп тіні, що відкидалися ними. На основі своїх спостережень Галілей зробив висновок, що Місяць є кам'янистим тілом, як і Земля. З того часу над загадкою утворення Місяця роздумували багато поколінь вчених, починаючи з Іммануїла Канта та Рене Декарта. З початку XVII століття і до середини XX було висунуто декілька основних гіпотез, які мали своїх прихильників та свої злети популярності.
Нова ера у вивченні Місяця почалася в 1960-х роках, з польотів до Місяця радянських автоматичних станцій та американських «Аполлонів». З'явилася нова наука — селенологія. На Землю були доставлені зразки місячних порід, які дали багатий матеріал для роздумів та переоцінки старих ідей.
Формування
Деякі теорії виходять із припущення, що на ранніх етапах формування Сонячної системи, близько 4,425 мільярда років тому, прото-Земля не мала великих супутників і складалася переважно з розплавлених і твердих гірських порід. Тея, рання протопланета розміром із Марс, зіткнулася із Землею таким чином, що значна кількість речовини була викинута в космос. Частина цих викидів досягла другої космічної швидкості й залишила околиці Землі, а решта згодом об'єдналася в одне сферичне тіло на навколоземній орбіті, утворивши Місяць.
Гіпотеза передбачає зіткнення прото-Землі, діаметр якої становив приблизно 90 % від сучасного, з іншим тілом діаметром із Марс (половина земного діаметра та десята частина земної маси). Останнє іноді називають Теєю — на честь матері Селени, богині Місяця в давньогрецькій міфології. Таке співвідношення розмірів необхідне, щоб утворена система мала достатній момент імпульсу для відтворення сучасної конфігурації орбіт. Унаслідок такого удару навколо Землі опинилася викинута речовина, яка згодом зібралася в Місяць.
Комп'ютерне моделювання показує, що зіткнення мало бути дотичним: тоді частина речовини тіла-ударника утворює довгий рукав, який відокремлюється від основної маси. Асиметрична форма Землі після удару спричиняє осідання цієї речовини на орбіту навколо основного тіла. Енергія такого зіткнення була колосальною. У деяких ділянках Землі температура могла сягати 10000 °C.
Відносно невелике залізне ядро Місяця (порівняно з іншими кам'яними планетами та супутниками Сонячної системи) пояснюють тим, що ядро Теї переважно злилося із земним ядром. Нестача летких речовин у місячних зразках також частково пояснюють випаровуванням внаслідок зіткнення. Енергії, яка виділилася під час повторної акреції речовини на орбіті Землі, вистачило для плавлення значної частини Місяця та утворення магматичного океану.
Новоутворений Місяць обертався на відстані приблизно вдесятеро меншій, ніж нині, а потім поступово віддалявся внаслідок припливного тертя, яке передавало момент імпульсу від осьового обертання Землі й Місяця до орбітального руху Місяця. У процесі цього віддалення обертання Місяця зазнало припливного захоплення, тому він постійно повернений до Землі одним боком. Крім того, Місяць міг зіткнутися з невеликими раніше існуючими супутниками Землі й поглинути їх. Вони мали б той самий склад, що й Земля, включно з ізотопними співвідношеннями, що теж узгоджується зі спостережуваною подібністю ізотопного складу Землі й Місяця. Відтоді геологічна еволюція Місяця значною мірою відбувалася незалежно від Землі.
У дослідженні 2012 року, присвяченому збідненню Місяця ізотопами цинку, виявили ознаки втрати летких речовин, які узгоджуються з гіпотезою гігантського зіткнення для Землі та Місяця. 2013 році опублікували дослідження, яке показало, що вода в місячній магмі не відрізняється від води в вуглецевих хондритах і майже збігається із земною за ізотопним складомErik Ian Asphaug: Impact Origin of the Moon?. In: Annual Revue of Earth and Planetary Sciences. March 2014..
Виникнення Сонячної системи
Виникнення Сонячної системи почалося з гравітаційного стиснення газопилової хмари, в центрі якої сформувалося наймасивніше тіло — Сонце. Речовина протопланетного диска зібралася у невеликі планетозималі, які зіштовхувалися між собою та утворювали планети. Частина планетозималей була викинута з внутрішніх областей в пояс Койпера та хмару Оорта.
Спільне та відмінне у властивостях Місяця, Землі та системи Земля—Місяць Будь-яка гіпотеза утворення Місяця повинна не тільки відповідати фізичним законам, але й пояснювати наступні факти:
Середня густина Місяця складає 3,3 г/см³, значно поступаючись середній густині Землі — 5,5 г/см³. Причина — у Місяця дуже маленьке залізо-нікелеве ядро — воно складає всього 2–3 % від загальної маси супутника (за даними місії NASA «Lunar Prospector»). Для порівняння — металічне ядро Землі має масу близько 30 % від маси планети. Місяць, у порівнянні з Землею, має дуже низький вміст летких елементів, таких, як водень, азот, фтор, інертні гази. І навпаки, на Місяці спостерігається деякий надлишок відносно тугоплавких елементів, наприклад, титану, урану та торію. Породи місячної кори та породи земної кори та мантії практично ідентичні за співвідношенням стабільних ізотопів кисню , , (це співвідношення іноді називають «кисневим підписом»). Для порівняння, метеорити з різних частин Сонячної системи (зокрема і так звані марсіанські метеорити) мають зовсім інші співвідношення ізотопів кисню. Така ідентичність свідчить про те, що Земля та Місяць (або, як мінімум, поверхня Місяця) сформувалися з одного шару планетозималей — на однаковій відстані від Сонця. Місяць має потужну міцну кору товщиною 60–80 кілометрів (в декілька разів товстішу від земної кори), утворену з анортозитових порід — продуктів плавлення місячної мантії. Тому вважають, що Місяць колись був нагрітий до повного розплавлення. Земля, як вважається, ніколи не була повністю розплавленою. Місяць та Земля мають незвичайно високе відношення маси супутника до маси планети, рівне 1:81, у порівнянні з іншими супутниками планет Сонячної системи (вище — тільки у Харона та Плутона, але останній вже не вважається планетою). Система Земля—Місяць має незвично високий кутовий момент імпульсу. Площина орбіти Місяця (нахил 5° до екліптики) не збігається з екваторіальною площиною Землі (нахил 23,5° до екліптики).
Гіпотези походження Місяця На основі цього було висунуто наступні гіпотези: Гіпотеза відцентрового розділення: від протоземлі, яка швидко оберталася, під дією відцентрових сил відділився шматок речовини, з якого потім утворився Місяць. Цю гіпотезу жартівливо називають «дочірньою». Гіпотеза захоплення: Земля та Місяць утворилися незалежно, в різних частинах Сонячної системи. Коли Місяць проходив близько до земної орбіти, він був захоплений гравітаційним полем Землі та став її супутником. Цю гіпотезу жартома називають «подружньою». Гіпотеза спільного утворення: Земля та Місяць утворилися одночасно, при невеликій відстані між ними (жартівливо — «сестринська» гіпотеза). Гіпотеза випаровування: з розплавленої протоземлі були випарувані в простір значні маси речовини, які потім охолонули, сконденсувалися на орбіті та утворили протомісяць. Гіпотеза багатьох місяців: декілька маленьких місяців було захоплено гравітацією Землі, потім вони зіткнулися один з одним, зруйнувалися, і з їхніх уламків утворився сучасний Місяць. Гіпотеза зіткнення: протоземля зіткнулася з іншим небесним тілом, а з викинутої при зіткненні речовини утворився Місяць. Згідно з дослідженнями, ранньою стадією процесу формування Землі та Місяця в рамках гіпотези гігантського удару була .
Розгляд гіпотез До польотів «Аполлонів» основними в науковому світі вважалися три гіпотези утворення Місяця: відцентрового відділення, захоплення, спільної акреції. В англомовній літературі їх називають «Великою трійкою» ().
Гіпотеза відцентрового відділення Гіпотезу відділення Місяця від Землі вперше висунув Джордж Дарвін, син знаменитого Чарльза Дарвіна, в 1878 році. Він висловив припущення, що після утворення молодої Землі вона оберталася з дуже великою швидкістю. Під дією відцентрових сил планета стала настільки витягнутою по екватору, що від неї відірвався великий шматок речовини (можливо, цьому сприяли припливні сили Сонця). З цієї речовини пізніше утворився Місяць. Цю гіпотезу підтримав у 1882 році геолог : на його думку, басейн Тихого океану утворився саме на тому місці, де відірвався від Землі майбутній Місяць. Гіпотеза Дарвіна-Фішера набула великої популярності та залишалася загальноприйнятою на початку XX століття.
За і проти Відрив речовини від надмірно розтягнутого екваторіального виступу добре пояснює наявний розмір Місяця. Цій гіпотезі так само добре відповідає і менша густина Місяця, оскільки вона відповідає густині земної мантії. Сучасні дані підтверджують і факт швидшого обертання Землі в далекому минулому (див. припливне прискорення). Однак, потрібна для відцентрового відриву швидкість обертання занадто велика (один оберт Землі за 1–2 години). Момент імпульсу обертання Землі в такому випадку повинен був в 3–4 рази перевищувати сучасний момент імпульсу системи Земля–Місяць (який і без того незвично високий). Появу в новоутвореної Землі такого моменту імпульсу обертання неможливо пояснити, як неможливо пояснити і його наступне зникнення.
Нижчий, ніж у Землі, вміст летких елементів у місячній речовині не вписується в дану гіпотезу. До того ж, сучасна теорія тектоніки літосферних плит вважає, що тихоокеанський басейн в його нинішньому вигляді існує всього близько 70 мільйонів років, і ніяк не міг утворитися при відриві речовини від Землі.
Гіпотеза захоплення Гіпотезу захоплення першим висунув у 1909 році американський астроном Томас Джексон (). У відповідності до цієї гіпотези, Місяць утворився як незалежна планета десь у Сонячній системі, а потім в результаті деяких пертурбацій перейшов на еліптичну орбіту, яка перетиналася з орбітою Землі. При черговому зближенні з Землею, Місяць був захоплений гравітацією Землі та став її супутником.
За і проти Легенди деяких народів Землі, зокрема, догонів, розповідають про часи, коли Місяця на небі ще не було, і про появу нового світила. Захоплення Місяця земною гравітацією могло б добре пояснити великий момент імпульсу системи Земля—Місяць. Але результати моделювання показують, що ймовірність захоплення Землею пролітаючого тіла з масою Місяця мізерно мала. Набагато ймовірніше, що пролітаюча планета зіткнулася б із Землею, або навпаки, була б відкинута гравітацією Землі далеко за межі земної орбіти. Варіант з можливим захопленням потребує проходження Місяця на відстані менше межі Роша, тобто Місяць, можливо, був би розірваний дією припливних сил.