Den 13. desember 1972 nærmet Apollo 17-astronauten Garisson Schmitt seg til en kampestein i Tranquility Sea of the Moon. "Denne steinblokken har sin egen lille sti som fører rett mot bakken," informerte han sin sjef, Eugene Cernan, og la merke til hvor kampesten var før han rullet ned bakken. Cernan tok noen prøver.
"Tenk deg hvordan det hadde vært om du hadde stått der før denne kulen rullet," sa Cernan ettertenksomt. "Jeg ville nok ikke gjort det bedre," svarte Schmitt.
Astronautene hugget biter av månen fra steinblokken. Deretter, med en rake, skrapte Schmitt den støvete overflaten og løftet opp en rullestein som senere skulle bli kalt troctolite 76536.
Denne klippen og dens buldrebrødre skulle fortelle historien om hvordan månen vår ble. I denne skapelseshistorien, spilt inn i utallige lærebøker og vitenskapsmuseumsutstillinger i løpet av de siste førti årene, ble månen smeltet ut av en katastrofal kollisjon mellom en spirende jord og en solid verden på størrelse med Mars. Den andre verden ble kalt Teia, etter den greske gudinnen som fødte Selene, månen. Theia styrtet så hardt ned i jorden at begge verdener smeltet. Strømmene med smeltet materiale som ble kastet ut av Theia, ble deretter avkjølt og størknet, og dannet den sølvfarget følgesvennen vi alle kjenner godt.
Men moderne målinger av troctolite 76536 og andre bergarter fra Månen og Mars har stilt spørsmål ved denne teorien. I løpet av de siste fem årene har flere studier avdekket et problem: den kanoniske hypotesen om gigantisk kollisjon er basert på antagelser som ikke samsvarer med bevisene. Hvis Theia traff jorden og senere dannet månen, må månen være laget av Theias materiale. Men månen er ikke som Theia - eller Mars, for den saks skyld. For selve atomene ser den nesten lik ut som Jorden.
Overfor denne uoverensstemmelsen, søkte månefyserne nye ideer for å forstå hvordan månen ble. Den mest åpenbare løsningen er kanskje den enkleste, men den gir andre problemer med å forstå det unge solsystemet: kanskje Theia dannet månen, men Theia besto også av et stoff som er nesten identisk med jorden. Alternativt blandet kollisjonsprosessen alt, og homogeniserte de individuelle bitene og væskene i kaken, som deretter ble skåret i porsjoner. I dette tilfellet måtte kollisjonen være ekstremt kraftig, eller det måtte være flere av dem. Den tredje forklaringen stiller spørsmål ved vår forståelse av planetene. Det kan være at Jorden og månen vi har i dag, gikk gjennom rare metamorfoser og ville orbitaldanser som radikalt endret rotasjon og fremtid.
Salgsfremmende video:
Dårlige nyheter for Teia
For å forstå hva som kunne ha skjedd på den viktigste dagen for jorden, må du starte med å forstå solsystemets ungdom. For fire og en halv milliard år siden var solen omgitt av en varm sky av smultringformet rusk. De stjernemessige elementene dreide seg om vår nyfødte sol, avkjølte og - med årene - fusjonerte sammen i en prosess vi ikke helt forstår. Først i klumper, deretter inn i planetimaler, deretter i planeter. Disse faste stoffer var stive og kolliderte, fordampet og dukket opp igjen. Det var i dette utrolig harde stjernebildet som Jorden og Månen ble smidd.
For å få månen vi har i dag, med sin størrelse, rotasjon og hastigheten som den beveger seg bort fra Jorden, sier våre beste datamodeller at uansett hva Jorden kolliderer med, må det være noe på størrelse med Mars. Noe mer eller mindre ville allerede produsert et system med mye større vinkelmoment enn vi observerer. Et større prosjektil ville også kaste for mye jern i jordens bane og produsere en måne mye rikere på jern enn vi observerer.
De første geokjemiske undersøkelsene av troctolite 76536 og andre bergarter støttet denne historien. De viste at månebergene må ha blitt født i månens hav av magma, som igjen kunne ha kommet fra en gigantisk kollisjon. Troctolite fløt i det smeltede havet som et isfjell i Antarktis. Basert på disse fysiske begrensningene, bestemte forskere at månen var laget av Theias rester. Men det er et problem.
La oss gå tilbake til det unge solsystemet. Da de solide verdenene kolliderte og fordampet, blandet innholdet seg, og satte seg til slutt i separate regioner. Nærmere solen, der det var varmere, var det lettere med de lettere elementene å varme opp og slippe ut, og etterlot et overskudd av tunge isotoper (variasjoner av elementer med ekstra nøytroner). Lenger fra solen klarte bergarter å holde mer vann, og det ble igjen lettere isotoper. Derfor kan en forsker undersøke en blanding av isotoper for å bestemme i hvilken del av solsystemet den dukket opp, akkurat som en aksent forråder en persons hjemland.
Disse forskjellene er så uttalt at de brukes til å klassifisere planeter og typer meteoritter. Mars er så forskjellig fra Jorden, for eksempel at dens meteoritter kan identifiseres ved ganske enkelt å måle forholdet mellom tre forskjellige oksygenisotoper.
I 2001 undersøkte sveitsiske forskere troctolite 76536 og andre måneprøver ved bruk av avanserte massespektrometri-teknikker. Det viste seg at oksygenisotoper deres ikke kan skilles fra de på jorden. Geokjemister har siden studert titan, wolfram, krom, rubidium, kalium og andre ikke-så-vanlige metaller på jorden - og de så alle ganske like ut.
Dette er dårlige nyheter for Teia. Hvis Mars er så forskjellig fra Jorden, må Theia - og derfor månen - også være annerledes. Hvis de er de samme, betyr det at månen skal ha dannet seg fra smeltede jordbiter. Bergartene samlet av Apollo, viser det seg, vil direkte motsi det fysikken insisterer.
"Den kanoniske modellen er i alvorlig krise," sier Sarah Stewart, planetforsker ved University of California, Davis. "Hun er ikke blitt drept helt ennå, men hennes nåværende status er at hun ikke jobber."
Dampens måne
Stewart har prøvd å tenke nytt om de fysiske begrensningene ved dette problemet - behovet for en spesifikk størrelse av slaglegeme som beveger seg med en bestemt hastighet - på bakgrunn av nye geokjemiske bevis. I 2012 foreslo hun og Matiya Zhuk, nå ved SETI Institute, en ny fysisk modell for månedannelsen. De uttalte at den unge jorden var et snurrende dervish, hvis dag varte i to til tre timer, da den ble truffet av Theia. Kollisjonen produserte en disk rundt jorden - som Saturn-ringen - men som bare varte i 24 timer. Til slutt ble disken avkjølt og størknet for å danne månen.
Superdatamaskiner er ikke kraftige nok til å simulere denne prosessen fullstendig, men de har vist at et prosjektil som krasjer i en så raskt spinnende verden kan skjære av seg nok Jorden, fullstendig ødelegge Theia og skrape av nok hud fra både for å skape en måne og jord med de samme isotopforholdene. Som en pottemaker på et pottemakerhjul.
For at den raskt roterende jordforklaringen skal være riktig, må det imidlertid være noe annet som bremser planetens rotasjonsrate ned til sin nåværende tilstand. I papiret fra 2012 hevdet Stewart og Chuck at for visse orbital-resonante interaksjoner, Jorden skal ha overført vinkelmomentum til solen. Senere foreslo Jack Wisdom fra Massachusetts Institute of Technology flere alternative scenarier for å trekke ut vinkelmoment fra Earth-Moon-systemet.
Ingen av forklaringene var imidlertid tilfredsstillende. 2012-modellene har aldri klart å forklare Månens bane eller kjemien, sier Stewart. Og i fjor presenterte Simon Locke, en student på Harvard og Stuart på den tiden, en oppdatert modell som antydet en tidligere usett planetarisk struktur.
Etter hans mening fordampet hvert stykke av jorden og Teia og dannet en hovent, hovent sky i form av en tykk smultring. Skyen roterte så raskt at den nådde et punkt kalt sam-rotasjonsgrensen. Ved denne ytterkanten av skyen sirklet den fordampede bergarten så raskt at skyen tok på seg en ny struktur, med en tykk skive som sirklet rundt det indre området. Det er viktig at platen ikke ble skilt fra den sentrale regionen på samme måte som Saturns ringer er.
Forholdene i denne strukturen er ubeskrivelig helvete; det er ingen overflate, i stedet for skyer av smeltet berg, med hvert område av skyen som danner regndråper av smeltet berg. Månene vokste inne i denne dampen, sier Locke, før dampen til slutt ble avkjølt og etterlot seg Earth-Moon-systemet.
Gitt de uvanlige egenskapene ved strukturen, følte Locke og Stewart at den fortjente et nytt navn. De prøvde flere versjoner før de kom til "synesty", som bruker det greske prefikset "synd" som betyr "sammen", og gudinnen Hestia, som representerer hjem, ildsted og arkitektur. Dette ordet betyr "knyttet struktur", sier Stewart.
“Disse kroppene er ikke det du tror. Og de ser ikke slik du trodde de ville se ut."
I mai publiserte Locke og Stewart et papir om synestesifysikken; deres arbeid med månens synestesi er fremdeles i påvente. De presenterte det på en planetarisk konferanse og sa at kollegene deres var interessert, men var neppe enige i ideen. Kanskje fordi synesty forblir bare en idé; i motsetning til ringete planeter, som er mange i solsystemet, og protoplanetære disker, som er mange i universet, har ingen noen gang sett en eneste.
Men det er en morsom måte å forklare særegenhetene ved månen vår når modellene våre ikke virker.
Ti måner
Blant de naturlige satellittene til solsystemet kan jordens måne være den mest fantastiske på grunn av ensomheten. Kvikksølv og Venus har ikke naturlige satellitter, delvis på grunn av deres nærhet til solen, hvis gravitasjonseffekt gjør satellittenes baner ustabile. Mars har bittesmå Phobos og Deimos, som noen mener er fanget av asteroider; andre snakker for store kropper som faller til Mars. Gassgigantene har mange satellitter, både harde og myke.
I motsetning til disse satellittene, skiller også jordsatellitten ut for sin størrelse og den fysiske belastningen den bærer. Månen utgjør mindre enn 1% av jorden etter masse, og den totale massen av satellittene til de ytre planetene er mindre enn 1/10 prosent av foreldrene. Enda viktigere er at Månen utgjør 80% av vinkelmomentet til jordsystemet -
Måne. Med andre ord er månen ansvarlig for 80% av bevegelsen av systemet som helhet. For de ytre planetene er denne verdien under 1%.
Kanskje bar ikke alltid Luna all denne byrden. Satellittenes ansikt viser bevis for kraftig bombing; hvorfor skulle vi da anta at bare ett slag støpte månen ut av jorden? Månen kan ha dannet seg i løpet av mange kollisjoner, ifølge Raluka Rufu, en planetforsker ved Weizman Research Institute i Israel.
I et papir som ble publisert i fjor vinter, argumenterte hun for at jordens satellitt kanskje ikke var original. I stedet ble det en samling av tusenvis av stykker - minst ti, basert på beregningene hennes. Prosjektilene fløy i forskjellige vinkler og i forskjellige hastigheter til jorden og dannet skiver som smeltet sammen til "måneskritt", og til slutt blendet månen vi kjenner i dag.
Planeten forskere bemerket arbeidet hennes. Robin Canup, en måneforsker ved Southwest Research Institute og en ekspert på teorier om månedannelse, sier teorien er verdt å vurdere. Imidlertid er mer forskning nødvendig. Rufu er ikke sikker på om ruskene beveget seg i samme retning, akkurat som månen stadig ser i samme retning. I så fall, hvordan kunne de i det hele tatt ha slått seg sammen? Dette gjenstår å se.
I mellomtiden har andre henvendt seg til en annen forklaring på likhetene mellom Jorden og Månen, noe som kan ha et veldig enkelt svar. Fra synestier til månebelter, nye fysikkmodeller - og ny fysikk - kan være kontroversielle. Kanskje er månen lik jorden bare fordi Theia var lik.
Samme
Månen er ikke den eneste "jordiske" tingen i solsystemet. Bergarter som troctolite 76536 har samme oksygenisotopforhold som terrestriske bergarter, så vel som grupper av asteroider - enstatittkondritter. Oksygenisotopen til disse asteroidene er lik de på jorden, sier Miriam Telus, en kosmokjemist som studerer meteoritter ved Carnegie-institusjonen i Washington. "Et av argumentene er at de dannet seg i varme områder på disken som kunne være nærmere solen," sier hun. De kan ha dannet seg i nærheten av Jorden.
Noen av disse bergartene kom sammen for å danne jorden; andre dannet Theia. Enstatittkondritter er gjenværende bergarter som aldri har blitt samlet eller vokst store nok til å danne mantler, kjerner og fullformede planeter.
I januar uttalte Nicholas Daufas, geofysiker ved University of Chicago, at de fleste bergartene som ble til jord var meteoritter av enstatittype. Han hevdet at alt som dannet seg i en region ville bli samlet inn fra dem. Planetkonstruksjon fant sted ved bruk av de samme blandede materialene som vi nå finner på Jorden og månen; de ser like ut fordi de er like. Det gigantiske legemet som dannet månen hadde sannsynligvis en isotopisk sammensetning som ligner den på jorden.
David Stevenson, en planetarisk forsker fra California Institute of Technology som har studert månens opprinnelse siden Theias hypotese ble presentert første gang i 1974, sier han anser dette arbeidet for å være det viktigste bidraget til kontroversen det siste året. Fordi det fokuserer på et problem som geokjemister har prøvd å løse i flere tiår.
"Dette er en smart historie om hvordan de forskjellige elementene som gjør det til jorden skal sees," sier Stevenson.
Men ikke alle er enige. Det gjenstår spørsmål om isotopforholdene til elementer som wolfram, bemerker Stewart. Tungsten-182 er avledet fra hafnium-182, så forholdet mellom wolfram og hafnium fungerer som en klokke for å bestemme alderen til en bestemt bergart. Hvis en bergart har mer wolfram-182 enn en annen, kan du trygt si at den volframrike bergarten dannet seg tidligere. Men de mest nøyaktige målingene viser at forholdene mellom wolfram og hafnium er de samme for jorden og månen. To kropper måtte være under spesielle forhold for at dette skulle skje.
Basert på materialer fra Quanta
Ilya Khel
