13 grudnia 1972 roku astronauta Apollo 17 Garisson Schmitt zbliżył się do głazu na Morzu Spokoju na Księżycu. „Ten głaz ma swoją własną ścieżkę prowadzącą prosto na wzgórze” - poinformował swojego dowódcę, Eugene Cernan, zwracając uwagę, gdzie znajduje się głaz, zanim stoczył się ze wzgórza. Cernan pobrał próbki.
- Wyobraź sobie, jak by to było, gdybyś stał tam, zanim potoczył się ten głaz - powiedział w zamyśleniu Cernan. „Prawdopodobnie nie zrobiłbym tego lepiej” - odpowiedział Schmitt.
Astronauci wyrzeźbili w głazie kawałki księżyca. Następnie za pomocą grabi Schmitt zeskrobał zakurzoną powierzchnię i podniósł kamyk, który później nazwano troctolitem 76536.
Ta skała i jej boulderowi bracia mieli opowiedzieć historię o tym, jak powstał nasz księżyc. W tej historii o stworzeniu, zapisanej w niezliczonych podręcznikach i eksponatach muzeów naukowych w ciągu ostatnich czterdziestu lat, Księżyc został stopiony w wyniku katastrofalnej kolizji między bakteryjną ziemią a stałym światem wielkości Marsa. Drugi świat nazwano Teia, po greckiej bogini, która urodziła Księżyc, Selene. Theia uderzyła w Ziemię tak mocno, że oba światy stopiły się. Strumienie stopionego materiału wyrzucane przez Theię ochłodziły się i zestaliły, tworząc srebrzystego towarzysza, którego wszyscy dobrze znamy.
Jednak współczesne pomiary troktolitu 76536 i innych skał z Księżyca i Marsa zakwestionowały tę teorię. W ciągu ostatnich pięciu lat liczne badania ujawniły problem: hipoteza kolizji kanonicznych gigantów opiera się na założeniach, które nie pasują do dowodów. Jeśli Theia uderzyła w Ziemię, a później utworzyła Księżyc, Księżyc musi być wykonany z materiału Theii. Ale Księżyc nie jest podobny do Theii - ani do Marsa. Dla samych atomów wygląda prawie tak samo jak Ziemia.
W obliczu tej niespójności, księżycowi odkrywcy szukali nowych pomysłów, aby zrozumieć, jak powstał księżyc. Najbardziej oczywiste rozwiązanie może być najprostsze, ale rodzi inne problemy ze zrozumieniem młodego Układu Słonecznego: być może Theia utworzyła Księżyc, ale Theia również składała się z substancji, która jest prawie identyczna z ziemią. Alternatywnie, w procesie zderzenia wszystko wymieszano, homogenizując poszczególne kawałki i płyny w cieście, które następnie pocięto na porcje. W tym przypadku zderzenie musiało być niezwykle silne lub musiało ich być kilka. Trzecie wyjaśnienie kwestionuje nasze rozumienie planet. Być może Ziemia i Księżyc, które mamy dzisiaj, przeszły przez dziwne metamorfozy i dzikie tańce orbitalne, które radykalnie zmieniły ich rotację i przyszłość.
Film promocyjny:
Złe wieści dla Teii
Aby zrozumieć, co mogło się wydarzyć w najważniejszym dniu dla Ziemi, musisz zacząć od zrozumienia młodości Układu Słonecznego. Cztery i pół miliarda lat temu Słońce było otoczone gorącą chmurą gruzu w kształcie pączka. Gwiezdne elementy krążyły wokół naszego nowo narodzonego słońca, ochładzając się i - z biegiem lat - łącząc się w procesie, którego nie w pełni rozumiemy. Najpierw w kępy, potem w planetozymale, potem w planety. Te ciała stałe były sztywne i często zderzały się, odparowywały i pojawiały się ponownie. To w tym niesamowicie twardym gwiezdnym bilardu wykuto Ziemię i Księżyc.
Aby uzyskać księżyc, który mamy dzisiaj, z jego rozmiarem, obrotem i prędkością, z jaką oddala się od Ziemi, nasze najlepsze modele komputerowe mówią, że cokolwiek zderzy się z Ziemią, musi to być coś wielkości Marsa. Cokolwiek mniej lub więcej stworzyłoby już system o znacznie większym pędzie kątowym, niż obserwujemy. Większy pocisk wyrzuciłby również zbyt dużo żelaza na orbitę Ziemi i stworzyłby księżyc o wiele bogatszy w żelazo, niż obserwujemy.
Pierwsze badania geochemiczne troktolitu 76536 i innych skał potwierdziły tę historię. Pokazali, że skały księżycowe musiały narodzić się w księżycowym oceanie magmy, który z kolei może powstać w wyniku gigantycznej kolizji. Troktolit unosił się w stopionym morzu jak góra lodowa na Antarktydzie. Opierając się na tych fizycznych ograniczeniach, naukowcy zdecydowali, że Księżyc powstał ze szczątków Theii. Ale jest problem.
Wróćmy do młodego Układu Słonecznego. Gdy stałe światy zderzały się i wyparowywały, ich zawartość mieszała się, ostatecznie osadzając się w oddzielnych regionach. Bliżej Słońca, gdzie było cieplej, lżejsze pierwiastki z większym prawdopodobieństwem nagrzewały się i uciekały, pozostawiając nadmiar ciężkich izotopów (odmiany pierwiastków z dodatkowymi neutronami). Dalej od Słońca skały były w stanie pomieścić więcej wody i pozostały lżejsze izotopy. Dlatego naukowiec może zbadać mieszaninę izotopów, aby określić, w której części układu słonecznego się pojawiła, podobnie jak akcent zdradza ojczyznę człowieka.
Różnice te są tak wyraźne, że służą do klasyfikowania planet i typów meteorytów. Na przykład Mars tak bardzo różni się od Ziemi, że jego meteoryty można zidentyfikować po prostu mierząc stosunek trzech różnych izotopów tlenu.
W 2001 roku, korzystając z zaawansowanych technik spektrometrii mas, szwajcarscy naukowcy ponownie zbadali troktolit 76536 i inne próbki księżycowe. Okazało się, że ich izotopy tlenu są nie do odróżnienia od tych na Ziemi. Od tego czasu geochemicy badali tytan, wolfram, chrom, rubid, potas i inne nie tak zwyczajne metale na Ziemi - i wszystkie wyglądały prawie tak samo.
To zła wiadomość dla Teii. Jeśli Mars tak bardzo różni się od Ziemi, Theia - a zatem i Księżyc - też muszą być inne. Jeśli są takie same, oznacza to, że księżyc powinien powstał ze stopionych kawałków Ziemi. Okazuje się, że skały zebrane przez Apollo bezpośrednio zaprzeczają twierdzeniom fizyki.
„Model kanoniczny przeżywa poważny kryzys” - mówi Sarah Stewart, planetolog z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Davis. „Nie została jeszcze całkowicie zabita, ale jej obecny stan jest taki, że nie pracuje”.
Księżyc pary
Stewart próbował ponownie przemyśleć fizyczne ograniczenia tego problemu - potrzebę posiadania ciała uderzeniowego o określonej wielkości, które porusza się z określoną prędkością - w kontekście nowych dowodów geochemicznych. W 2012 roku ona i Matiya Zhuk, obecnie pracujący w Instytucie SETI, zaproponowali nowy model fizyczny formowania się księżyca. Stwierdzili, że młoda Ziemia była wirującym derwiszem, którego dzień trwał od dwóch do trzech godzin, kiedy został uderzony przez Theię. Zderzenie spowodowało powstanie dysku wokół Ziemi - podobnie jak pierścień Saturna - ale trwało to tylko 24 godziny. Ostatecznie dysk ostygł i zestalił się, tworząc księżyc.
Superkomputery nie są wystarczająco mocne, aby w pełni zasymulować ten proces, ale pokazały, że pocisk uderzający w tak szybko wirujący świat może oderwać wystarczająco dużo Ziemi, całkowicie zniszczyć Theię i zeskrobać wystarczającą ilość skóry z obu, aby stworzyć Księżyc i Ziemię o tych samych stosunkach izotopowych. Jak garncarz na kole garncarskim.
Aby jednak szybko obracająca się Ziemia była poprawna, musi istnieć coś innego, co spowalnia tempo obrotu planety do jej obecnego stanu. W artykule z 2012 roku Stewart i Chuck argumentowali, że dla pewnych interakcji orbitalno-rezonansowych Ziemia powinna była przenieść moment pędu na Słońce. Później Jack Wisdom z Massachusetts Institute of Technology zaproponował kilka alternatywnych scenariuszy wydobywania momentu pędu z układu Ziemia-Księżyc.
Jednak żadne z wyjaśnień nie było satysfakcjonujące. Stewart mówi, że modele z 2012 roku nigdy nie były w stanie wyjaśnić orbity Księżyca ani jego chemii. I tak w zeszłym roku Simon Locke, ówczesny absolwent Harvardu i student Stuarta, przedstawił zaktualizowany model, który sugerował wcześniej niewidoczną strukturę planet.
Jego zdaniem każdy kawałek Ziemi i Teii wyparował i utworzył spuchniętą, nabrzmiałą chmurę w postaci grubego pączka. Chmura obracała się tak szybko, że osiągnęła punkt zwany granicą współrotacji. Na tej zewnętrznej krawędzi chmury odparowana skała krążyła tak szybko, że chmura przybrała nową strukturę, z grubym dyskiem okrążającym wewnętrzny obszar. Co ważne, dysk nie został oddzielony od środkowej części w taki sam sposób, jak pierścienie Saturna.
Warunki w tej strukturze są nieopisanie piekielne; nie ma powierzchni, zamiast chmur stopionej skały, a każdy obszar chmury tworzy krople deszczu stopionej skały. Jak mówi Locke, księżyce wyrosły wewnątrz tej pary, zanim para w końcu ostygła i pozostawiła za sobą system Ziemia-Księżyc.
Biorąc pod uwagę niezwykłe cechy konstrukcji, Locke i Stewart uznali, że zasługuje ona na nową nazwę. Wypróbowali kilka wersji, zanim dotarli do „synestii”, która używa greckiego przedrostka „grzech”, co oznacza „razem”, oraz bogini Hestii, która reprezentuje dom, ognisko i architekturę. To słowo oznacza „połączoną strukturę”, mówi Stewart.
„Te ciała nie są tym, czym myślisz. I nie wyglądają tak, jak myślałeś, że będą wyglądać”.
W maju Locke i Stewart opublikowali artykuł na temat fizyki synestezji; ich praca nad synestezją księżycową wciąż trwa. Przedstawili go na konferencji planetarnej i powiedzieli, że ich koledzy byli zainteresowani, ale prawie nie zgadzają się z tym pomysłem. Być może dlatego, że synestia pozostaje tylko pomysłem; w przeciwieństwie do planet z pierścieniami, których jest wiele w Układzie Słonecznym, i dysków protoplanetarnych, których jest wiele we wszechświecie, nikt nigdy nie widział ani jednej.
Ale to zabawny sposób na wyjaśnienie osobliwości naszego Księżyca, gdy nasze modele wydają się nie działać.
Dziesięć księżyców
Spośród naturalnych satelitów Układu Słonecznego księżyc Ziemi może być najbardziej niesamowity ze względu na swoją samotność. Merkury i Wenus nie mają naturalnych satelitów, po części ze względu na bliskość Słońca, którego grawitacja powoduje, że orbity satelitów są niestabilne. Mars ma malutkie Fobos i Deimos, które według niektórych zostały schwytane przez asteroidy; inni opowiadają się za spadającymi na Marsa dużymi ciałami. Giganci gazowi mają wiele satelitów, zarówno twardych, jak i miękkich.
W przeciwieństwie do tych satelitów, satelita Ziemi wyróżnia się również rozmiarem i obciążeniem fizycznym, jakie niesie. Księżyc stanowi mniej niż 1% masy Ziemi, a całkowita masa satelitów planet zewnętrznych to mniej niż 1/10% ich rodziców. Co ważniejsze, Księżyc odpowiada za 80% momentu pędu systemu Ziemi -
Księżyc. Innymi słowy, Księżyc odpowiada za 80% ruchu całego układu. W przypadku planet zewnętrznych wartość ta jest mniejsza niż 1%.
Być może Luna nie zawsze nosiła cały ten ciężar. Twarz satelity nosi ślady ciężkiego bombardowania; dlaczego więc mielibyśmy zakładać, że tylko jeden cios uformował księżyc z ziemi? Według Raluki Rufu, planetologa z Instytutu Badawczego Weizman w Izraelu, księżyc mógł powstać w trakcie wielu zderzeń.
W artykule opublikowanym zeszłej zimy argumentowała, że satelita Ziemi może nie być oryginalny. Zamiast tego stał się zbiorem tysięcy elementów - co najmniej dziesięciu, według jej obliczeń. Pociski leciały pod różnymi kątami i z różnymi prędkościami na Ziemię i utworzyły dyski, które zlały się w „szczątki księżyca”, ostatecznie oślepiając księżyc, który znamy dzisiaj.
Planetolodzy odnotowali jej pracę. Robin Canup, księżycowy naukowiec z Southwest Research Institute i ekspert w dziedzinie teorii powstawania Księżyca, uważa, że warto rozważyć tę teorię. Potrzebne są jednak dalsze badania. Rufu nie jest pewien, czy szczątki poruszały się w tym samym kierunku, tak jak księżyc nieustannie patrzy w tym samym kierunku. Jeśli tak, w jaki sposób mogły się w ogóle połączyć? To się okaże.
W międzyczasie inni zwrócili się do innego wyjaśnienia podobieństw między Ziemią a Księżycem, co może mieć bardzo prostą odpowiedź. Od synestii po pasy księżycowe, nowe modele fizyczne - i nowa fizyka - mogą być kontrowersyjne. Być może Księżyc jest podobny do Ziemi tylko dlatego, że Theia była podobna.
Podobnie
Księżyc nie jest jedyną „ziemską” rzeczą w Układzie Słonecznym. Skały takie jak troktolit 76536 mają taki sam stosunek izotopów tlenu jak skały naziemne, a także grupy asteroid - chondryty enstatytowe. Izotopy tlenu tych asteroid są podobne do tych na Ziemi, mówi Miriam Telus, kosmochemik, który bada meteoryty w Carnegie Institution w Waszyngtonie. „Jednym z argumentów jest to, że powstały one w gorących obszarach dysku, które mogą znajdować się bliżej słońca” - mówi. Mogły powstać blisko Ziemi.
Niektóre z tych skał połączyły się, tworząc Ziemię; inni utworzyli Theię. Enstatyty chondryty to szczątkowe skały, które nigdy nie zostały zebrane ani nie urosły na tyle duże, aby utworzyć płaszcze, rdzenie i w pełni uformowane planety.
W styczniu Nicholas Daufas, geofizyk z University of Chicago, stwierdził, że większość skał, które stały się Ziemią, to meteoryty typu enstatytów. Twierdził, że wszystko, co powstanie w jednym regionie, zostanie od nich odebrane. Konstrukcja planetarna odbywała się przy użyciu tych samych mieszanych materiałów, które obecnie znajdujemy na Ziemi i na Księżycu; wyglądają tak samo, ponieważ są takie same. Olbrzymie ciało, które utworzyło Księżyc, prawdopodobnie miało skład izotopowy podobny do ziemskiego.
David Stevenson, naukowiec planetarny z Kalifornijskiego Instytutu Technologii, który badał pochodzenie Księżyca od czasu pierwszego przedstawienia hipotezy Theii w 1974 roku, mówi, że uważa tę pracę za najważniejszy wkład w kontrowersje w ciągu ostatniego roku. Ponieważ skupia się na problemie, który geochemicy próbowali rozwiązać od dziesięcioleci.
„To sprytna opowieść o tym, jak należy postrzegać różne elementy, które trafiają na Ziemię” - mówi Stevenson.
Ale nie wszyscy się z tym zgadzają. Pozostają pytania o proporcje izotopów pierwiastków takich jak wolfram, zauważa Stewart. Wolfram-182 pochodzi z hafnu-182, więc stosunek wolframu do hafnu działa jak zegar określający wiek konkretnej skały. Jeśli jedna skała ma więcej wolframu-182 niż inna, można śmiało powiedzieć, że bogata w wolfram skała uformowała się wcześniej. Jednak najdokładniejsze pomiary pokazują, że stosunek wolframu do hafnu jest taki sam dla Ziemi i Księżyca. Aby tak się stało, dwa ciała musiały znajdować się w specjalnych warunkach.
Na podstawie materiałów firmy Quanta
Ilya Khel
