Księżyc narodził się w zderzeniu ciała wielkości Marsa i wczesnej Ziemi, ale poza tym wiele o świecie, który widzimy na niebie każdego wieczora, jest wciąż tajemnicą. Po 61 misjach, w tym sześciu wizytach astronautów, w których zebrano próbki skał księżycowych, pozostaje wiele pytań, w tym ile księżyca powstaje z resztek zaginionej planety i ile zostało skradzionych z Ziemi? Odpowiedź na te pytania może dać świeży wgląd w ewolucję obu ciał niebieskich.
powiązana zawartość
- Dead Star Shredding a Rocky Body oferuje podgląd ziemskiego losu
- Ziemia sprawia, że Księżyc jest ciepły i miękki w środku
Teraz naukowcy z Francji i Izraela znaleźli dowody na to, że mniejsze ciało, które uderzyło w proto-Ziemię, prawdopodobnie wykonane było z podobnych materiałów, co nasz świat. Ponadto, zgodnie z ich modelami komputerowymi, obecny skład materiału księżycowego najlepiej wyjaśnić, jeśli cokolwiek uderzy wczesną Ziemię w pobliżu. Dwa dodatkowe badania sugerują, że oba ciała zbudowały następnie fornir z dodatkowego materiału, ponieważ mniejsze protoplanety nadal bombardowały młody system, ale Ziemia zebrała znacznie więcej tej późniejszej powłoki.
Zgodnie z „gigantyczną hipotezą uderzenia” księżyc powstał około 4, 5 miliarda lat temu, kiedy obiekt podobny do planety o około jednej dziesiątej obecnej masy Ziemi uderzył w naszą planetę. Symulacje i ostatnie badania skał księżycowych sugerują, że księżyc powinien być w większości wykonany z resztek impaktora, zwanego Theia. To by tłumaczyło, dlaczego księżyc wydaje się być zrobiony z materiału, który przypomina płaszcz Ziemi, co widać na próbkach skał i mapach mineralnych.
Problem polega na tym, że planety mają zwykle różne kompozycje. Mars, Merkury i duże asteroidy, takie jak Vesta, mają nieco różne proporcje różnych pierwiastków. Gdyby Theia powstała w innym miejscu w Układzie Słonecznym, jej skład powinien być raczej inny niż na Ziemi, a pełny skład Księżyca nie powinien wyglądać tak podobnie jak płaszcz Ziemi.
Aby spróbować rozwiązać zagadkę, Alessandra Mastrobuono-Battisti i Hagai Perets z Israel Institute of Technology przeanalizowali dane z symulacji 40 sztucznych układów słonecznych, stosując większą moc komputera niż zużyto w poprzednich pracach. Model wyhodował znane planety i hipotetyczną liczbę planetozymali, a następnie wypuścił je w kosmicznej grze w bilard.
Symulacje zakładają, że planety urodzone dalej od Słońca zwykle mają wyższe względne ilości izotopów tlenu, w oparciu o zaobserwowaną mieszankę chemiczną na Ziemi, Księżycu i Marsie. Oznacza to, że wszelkie planetozymale, które pojawiły się blisko Ziemi, powinny mieć podobne ślady chemiczne. „Jeśli mieszkają w tym samym sąsiedztwie, będą wykonane w przybliżeniu z tego samego materiału” - mówi Perets.
Zespół odkrył, że przez większość czasu - od 20 do 40 procent - duże zderzenia wiązały się z kolizjami między ciałami, które powstały w podobnych odległościach od Słońca, a więc miały podobny makijaż. Praca opisana w tym tygodniu w „ Nature ” popiera intuicyjny pogląd, że mniej prawdopodobne jest, że coś dopłynie i uderzy cię z daleka, a także wyjaśnia długą budowę księżyca.
Jak dotąd tak dobrze, ale to nie wszystko wyjaśnia. Wciąż istnieje długotrwała łamigłówka związana z liczebnością wolframu. Ten syderofil lub kochający żelazo element powinien z czasem opadać w kierunku rdzeni planet, czyniąc jego obfitość znacznie bardziej zmienną w różnych ciałach, nawet jeśli uformowały się one blisko siebie. Wynika to z faktu, że ciała o różnych rozmiarach będą tworzyć rdzenie w różnym tempie. Choć uderzenie byłoby trochę wymieszane, większość bogatego w wolfram materiał płaszcza Thei zostałby wrzucony na orbitę i włączony w księżyc, więc ilość wolframu na Ziemi i Księżycu powinna być bardzo różna.
W dwóch niezależnych badaniach dotyczących natury, Thomas Kruijer z Uniwersytetu w Münster w Niemczech i Mathieu Touboul z Uniwersytetu w Lyonie we Francji zbadali stosunek dwóch izotopów wolframu - wolframu-184 i wolframu-182 - w skałach księżycowych i na Ziemi jako całość. Zespoły podają, że skały księżycowe mają nieco więcej wolframu-182 niż Ziemia.
To intrygujące, ponieważ ten konkretny izotop wolframu pochodzi z rozpadu radioaktywnego izotopu pierwiastka hafnu. Okres półtrwania jest krótki, tylko około 9 milionów lat. Tak więc, podczas gdy kochający żelazo wolfram ma tendencję do opadania w kierunku rdzenia, izotop hafnu pozostaje bliżej powierzchni i z czasem zmienia się w wolfram-182. Pozostawia to nadmiar wolframu-182 w płaszczu planety w porównaniu do ilości wolframu-184 i innych naturalnych izotopów.
Różnica między Ziemią a Księżycem jest stosunkowo niewielka: w dwóch badaniach stwierdzono, że wynosi ona od 20 do 27 części na milion. Ale nawet ta drobna zmiana wymagałaby wielu chemicznych dopracowań, mówi Kruijer, co sprawia, że jest mało prawdopodobne, aby była to tylko przypadek. „Różnicowanie wolframu tylko o około jeden procent ma dramatyczny efekt” - mówi. „Jedynym rozwiązaniem jest, jeśli płaszcz proto-Ziemi miał podobną zawartość wolframu-182 jak Theia, a rdzeń impaktora bezpośrednio połączył się z ziemskim”.
To jednak mało prawdopodobne. Podczas gdy znaczna część rdzenia Thei, będąc cięższa od płaszcza, pozostanie częścią Ziemi, płaszcz będzie mieszał się z ziemskim, gdy zostanie rzucony na orbitę. Więcej mieszania dzieje się w miarę narastania księżyca. Proporcja materiału rdzenia i płaszcza Thei, który zamienia się w księżyc, jest przypadkowa, ale Kruijer musiał mieć co najmniej trochę materiału rdzenia. Zespół Touboula doszedł do podobnego wniosku: jeśli różnice w ilości wolframu wynikały z przypadkowego mieszania się, gdy wnętrzności Thei krążyły wokół Ziemi, planeta i księżyc powinny być jeszcze bardziej inne niż one.
Autorzy twierdzą, że najprostszym rozwiązaniem jest hipoteza „późnego forniru”, która sugeruje, że Ziemia i proto-księżyc zaczęły od podobnych stosunków izotopów wolframu. Ziemia, będąc większa i bardziej masywna, nadal przyciągałaby więcej planetozymali po zderzeniu, dodając nowy materiał do płaszcza. Fornir z tych planetozymali miałby więcej wolframu-184 w stosunku do wolframu-182, podczas gdy księżyc zachowałby proporcję datowaną na uderzenie.
„To wygląda na solidne dane” - mówi za pośrednictwem poczty elektronicznej Fréderic Moynier, kosmochemik i astrofizyk z Institut de Physique du Globe de Paris. „Pasuje do obecnej teorii późnego forniru, która opiera się po prostu na elementarnej obfitości pierwiastków syderofilowych (wśród nich wolframowych): w obecnym płaszczu Ziemi jest po prostu zbyt wiele pierwiastków syderofilnych (wszystkie powinny znajdować się w rdzeniu) i dlatego musieli zostać sprowadzeni na Ziemię po uformowaniu rdzenia przez uderzenia meteorytów. ”
Pozostaje jedna tajemnica: aby proto-księżyc odpowiadał ziemskiemu wolframowi, Theia i Ziemia musiały zacząć od bardzo podobnych obfitości wolframu. Rozwiązanie tej zagadki będzie dziełem przyszłych badań planetarnych, ale przynajmniej na razie historia pochodzenia księżycowego zaczyna wyglądać nieco jaśniej.
