Categorieën
Het Heelal Maan

Wat heeft de maan gemaakt? Nieuwe ideeën proberen een probleem theorie te redden | Quanta Magazine

Volgens studieboeken werd de maan gevormd nadat een massa ter grootte van Mars de jonge aarde had vernield. Maar nieuw bewijs heeft dat verhaal in twijfel getrokken, waardoor onderzoekers het hebben overgelaten

Een artistieke impressie van een synestia, een hypothetisch object gemaakt van verdampt gesteente dat mogelijk de maan heeft voortgebracht.

Simon Lock and Sarah Stewart

Op 13 december 1972 liep Apollo 17-astronaut Harrison Schmitt naar een rotsblok in de Sea of Serenity van de maan. “Dit rotsblok heeft zijn eigen weggetje recht de heuvel op,” riep hij naar zijn commandant, Eugene Cernan, wijzend op het merkteken dat het rotsblok achterliet toen het van een berghelling rolde. Cernan sprong erheen om wat monsters te verzamelen.

‘Bedenk hoe het zou zijn geweest als je daar had gestaan voordat dat rotsblok langskwam,’ mijmerde Cernan.

“Ik denk er liever niet over na,” zei Schmitt.

De astronauten hebben stukjes van de maan uit het rotsblok gebeiteld. Vervolgens schraapte Schmitt met een hark het poederachtige oppervlak en tilde hij een rots, later troctolite 76536 genaamd, van de regoliet en de geschiedenis in.

Die rots, en zijn keienbroeders, zouden een verhaal vertellen over hoe de hele maan ontstond. In dit scheppingsverhaal, dat in de afgelopen vier decennia in talloze studieboeken en tentoonstellingen van wetenschapsmuseums is opgetekend, werd de maan gesmeed door een rampzalige botsing tussen een embryonale aarde en een rotsachtige wereld ter grootte van Mars. Deze andere wereld heette Theia, naar de Griekse godin die het leven schonk aan Selene, de maan. Theia sloeg de aarde zo hard en zo snel in elkaar dat de werelden allebei smolten. Uiteindelijk koelde het overgebleven puin van Theia af en stolde het tot de zilveren metgezel die we vandaag hebben.

Harrison Schmitt, de eerste wetenschapper die astronaut werd, verzamelt maanmonsters tijdens de Apollo 17-missie. NASA

Maar moderne metingen van troctoliet 76536 en andere gesteenten van de maan en Mars hebben dit verhaal in twijfel getrokken. In de afgelopen vijf jaar heeft een bombardement van studies een probleem blootgelegd: de canonieke gigantische impacthypothese berust op aannames die niet overeenkomen met het bewijs. Als Theia de aarde trof en later de maan vormde, zou de maan gemaakt moeten zijn van materiaal van het Theia-type. Maar de maan lijkt niet op Theia – of op Mars, wat dat betreft. Tot aan zijn atomen lijkt het bijna precies op de aarde.

Geconfronteerd met deze discrepantie, hebben maanonderzoekers nieuwe ideeën gezocht om te begrijpen hoe de maan is ontstaan. De meest voor de hand liggende oplossing is misschien ook de eenvoudigste, hoewel het andere uitdagingen met zich meebrengt bij het begrijpen van het vroege zonnestelsel: misschien heeft Theia de maan gevormd, maar Theia was gemaakt van materiaal dat bijna identiek was aan de aarde. De tweede mogelijkheid is dat het impactproces alles grondig vermengt en ongelijksoortige klonten en vloeistoffen homogeniseert zoals pannenkoekenbeslag samenkomt. Dit had kunnen gebeuren in een buitengewoon hoge energie-impact, of een reeks inslagen die een reeks manen produceerden die later gecombineerd werden. De derde verklaring daagt uit wat we weten over planeten. Het is mogelijk dat de aarde en de maan die we vandaag hebben vreemde metamorfoses en wilde orbitale dansen hebben ondergaan die hun rotaties en hun toekomst dramatisch hebben veranderd.

Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine

Slecht nieuws voor Theia

Om te begrijpen wat er op de meest gedenkwaardige dag van de aarde is gebeurd, helpt het om de jeugd van het zonnestelsel te begrijpen. Vier en een half miljard jaar geleden werd de zon omringd door een hete, donutvormige wolk van puin. Stervormige elementen wervelden rond onze pasgeboren zon, koelden af en combineerden zich na eeuwen – in een proces dat we niet helemaal begrijpen – tot klonten, dan planetesimalen en vervolgens steeds grotere planeten. Deze rotsachtige lichamen kwamen vaak met geweld in botsing en verdampten elkaar opnieuw. Het was in dit onuitsprekelijk wrede helse landschap van biljartbal dat de aarde en de maan werden gesmeed.

Om bij de maan te komen, hebben we nu, met zijn grootte, draaiing en de snelheid waarmee hij zich van de aarde terugtrekt, onze beste computermodellen zeggen dat alles wat met de aarde in botsing is gekomen zo groot moet zijn geweest als Mars. Alles wat groter of veel kleiner is, zou een systeem opleveren met een veel groter impulsmoment dan we zien. Een groter projectiel zou ook te veel ijzer in de baan van de aarde werpen, waardoor een meer ijzerrijke maan ontstaat dan degene die we nu hebben.

Vroege geochemische studies van troctoliet 76536 en andere gesteenten ondersteunden dit verhaal. Ze toonden aan dat maangesteenten zouden zijn ontstaan in een maan-magma-oceaan, die alleen kon worden gegenereerd door een gigantische inslag. De troctoliet zou in een gesmolten zee hebben gedobbeld als een ijsberg die voor Antarctica drijft. Op basis van deze fysieke beperkingen hebben wetenschappers betoogd dat de maan is gemaakt van de overblijfselen van Theia. Maar er is een probleem.


Impulsmoment is een grootheid die de beweging en massa van een roterend object of een systeem van roterende objecten beschrijft: de draaiende aarde, de draaiende maan die rond de draaiende aarde draait, enzovoort. Het impulsmoment blijft altijd behouden, wat betekent dat het alleen kan worden gewonnen of verloren als er iets anders bij betrokken raakt.


Terug naar het vroege zonnestelsel. Terwijl rotsachtige werelden met elkaar in botsing kwamen en verdampten, vermengde hun inhoud zich en vestigde zich uiteindelijk in verschillende regio’s. Dichter bij de zon, waar het warmer was, zouden lichtere elementen eerder opwarmen en ontsnappen, waardoor een overmaat aan zware isotopen (varianten van elementen met extra neutronen) overblijft. Verder van de zon konden rotsen meer water vasthouden en bleven lichtere isotopen bestaan. Hierdoor kan een wetenschapper de isotopenmix van een object onderzoeken om vast te stellen waar het in het zonnestelsel vandaan kwam, zoals een spraak met accent die iemands geboorteland verraadt.

Deze verschillen zijn zo uitgesproken dat ze worden gebruikt om planeten en meteoriettypen te classificeren. Mars is bijvoorbeeld chemisch zo verschillend van de aarde dat de meteorieten eenvoudig kunnen worden geïdentificeerd door de verhoudingen van drie verschillende zuurstofisotopen te meten.

In 2001 hebben Zwitserse onderzoekers met behulp van geavanceerde massaspectrometrische technieken troctoliet 76536 en 30 andere maanmonsters opnieuw gemeten. Ze ontdekten dat de zuurstofisotopen ervan niet te onderscheiden waren van die op aarde. Geochemici hebben sindsdien titanium, wolfraam, chroom, rubidium, kalium en andere obscure metalen van de aarde en de maan bestudeerd, en alles ziet er ongeveer hetzelfde uit.

Dit is slecht nieuws voor Theia. Als Mars zo duidelijk verschilt van de aarde, zou Theia – en dus de maan – ook anders moeten zijn. Als ze hetzelfde zijn, betekent dit dat de maan moet zijn gevormd uit gesmolten stukjes aarde. De Apollo-rotsen zijn dan in direct conflict met wat volgens de natuurkunde waar moet zijn.

“Het canonieke model verkeert in een ernstige crisis”, zegt Sarah Stewart, een planetaire wetenschapper aan de University of California, Davis. “Het is nog niet gedood, maar de huidige status is dat het niet werkt.”

Sarah Stewart, een planetaire wetenschapper aan de University of California, Davis, samen met haar student Simon Lock aan de Harvard University. UC Davis

Een maan zonder damp

Stewart heeft geprobeerd de fysieke beperkingen van het probleem – de behoefte aan een botslichaam van een bepaalde grootte, met een bepaalde snelheid – te verzoenen met het nieuwe geochemische bewijs. In 2012 stelden zij en Matija Ćuk, nu bij het SETI-instituut, een nieuw fysiek model voor voor de vorming van de maan. Ze voerden aan dat de vroege aarde een wervelende derwisj was, die elke twee tot drie uur door een dag ronddraaide, toen Theia ermee in botsing kwam. De botsing zou een schijf rond de aarde produceren, net als de ringen van Saturnus, maar deze zou slechts ongeveer 24 uur aanhouden. Uiteindelijk zou deze schijf afkoelen en stollen om de maan te vormen.

Supercomputers zijn niet krachtig genoeg om dit proces volledig te modelleren, maar ze toonden aan dat een projectiel dat tegen zo’n snel draaiende wereld botst, genoeg van de aarde zou kunnen afschuiven, genoeg van Theia zou kunnen vernietigen en genoeg van beide zou kunnen klauteren om een maan en een aarde te bouwen met een vergelijkbaar isotoop. verhoudingen. Denk eraan een natte klomp klei op een snel draaiende pottenbakkersschijf te slaan.

Om de uitleg van de snel draaiende aarde juist te laten zijn, zou er echter iets anders moeten komen om de rotatiesnelheid van de aarde te vertragen tot wat het nu is. In hun werk uit 2012 voerden Stewart en Ćuk aan dat de aarde onder bepaalde orbitaalresonantie-interacties het impulsmoment op de zon had kunnen overbrengen. Later stelde Jack Wisdom van het Massachusetts Institute of Technology verschillende alternatieve scenario’s voor om het impulsmoment weg te laten lopen van het aarde-maansysteem.

Maar geen van de verklaringen was geheel bevredigend. De modellen uit 2012 konden de baan van de maan of de chemie van de maan nog steeds niet verklaren, zei Stewart. Vorig jaar bedacht Simon Lock, een afgestudeerde student aan de Harvard University en destijds een student van Stewart, een bijgewerkt model dat een voorheen niet herkende planetaire structuur voorstelt.

In dit verhaal verdampte elk stukje aarde en Theia en vormden een opgeblazen, gezwollen wolk in de vorm van een dikke bagel. De wolk draaide zo snel dat hij een punt bereikte dat de co-rotatielimiet wordt genoemd. Aan die buitenrand van de wolk cirkelde verdampt gesteente zo snel dat de wolk een nieuwe structuur kreeg, met een dikke schijf rond een binnengebied. Cruciaal was dat de schijf niet gescheiden was van het centrale gebied zoals de ringen van Saturnus – en ook niet zoals eerdere modellen van maanvorming met gigantische inslagen dat waren.

A synestia would be made of a bagel-like mass of vaporized rock surrounding a rocky planet.

Simon Lock and Sarah Stewart

De omstandigheden in deze structuur zijn onbeschrijfelijk hels; er is geen oppervlak, maar in plaats daarvan wolken van gesmolten gesteente, waarbij elk gebied van de wolk regendruppels van gesmolten gesteente vormt. De maan groeide in deze damp, zei Lock, voordat de damp uiteindelijk afkoelde en in zijn kielzog het aarde-maansysteem achterliet.

Gezien de ongebruikelijke kenmerken van het bouwwerk vonden Lock en Stewart dat het een nieuwe naam verdiende. Ze probeerden verschillende versies voordat ze synestia bedachten, dat het Griekse voorvoegsel syn-, wat samen betekent, en de godin Hestia, die het huis, de haard en de architectuur vertegenwoordigt, gebruikt. Het woord betekent “verbonden structuur”, zei Stewart.

“Deze lichamen zijn niet wat je denkt dat ze zijn. Ze zien er niet uit zoals je dacht dat ze deden, ‘zei ze.

In mei publiceerden Lock en Stewart een paper over de fysica van synestieën; hun paper waarin wordt gepleit voor een synestia-maanoorsprong is nog in behandeling. Ze presenteerden het werk op planetaire wetenschappelijke conferenties in de winter en de lente en zeiden dat hun collega-onderzoekers geïntrigeerd waren, maar nauwelijks verkocht over het idee. Dat kan zijn omdat synestieën nog maar een idee zijn; in tegenstelling tot geringde planeten, die veel voorkomen in ons zonnestelsel, en protoplanetaire schijven, die overal in het universum voorkomen, heeft niemand er ooit een gezien.

Maar dit is zeker een interessant pad dat de kenmerken van onze maan zou kunnen verklaren en ons over deze bult heen zou kunnen helpen, waar we dit model hebben dat niet lijkt te werken, ‘zei Lock.

Laat een dozijn manen bloeien

Van de natuurlijke satellieten in het zonnestelsel is de maan van de aarde misschien wel het meest opvallend vanwege zijn eenzaamheid. Mercurius en Venus hebben geen natuurlijke satellieten, deels vanwege hun nabijheid tot de zon, wiens zwaartekrachtsinteracties de banen van hun manen onstabiel zouden maken. Mars heeft piepkleine Phobos en Deimos, waarvan sommigen beweren dat het gevangen asteroïden zijn en anderen beweren dat ze gevormd zijn door inslagen van Mars. En de gasreuzen zitten boordevol manen, sommige rotsachtig, sommige waterig, sommige beide.

In tegenstelling tot deze manen valt de satelliet van de aarde ook op door zijn grootte en de fysieke belasting die hij draagt. De maan is ongeveer 1 procent van de massa van de aarde, terwijl de gecombineerde massa van de satellieten van de buitenplaneten minder dan een tiende van 1 procent van hun ouders is. Nog belangrijker is dat de maan 80 procent van het impulsmoment van het aarde-maansysteem bevat. Dat wil zeggen, de maan is verantwoordelijk voor 80 procent van de beweging van het systeem als geheel. Voor de buitenplaneten is deze waarde minder dan 1 procent.

De maan heeft echter misschien niet de hele tijd al dit gewicht gedragen. Het gezicht van de maan getuigt van zijn levenslange bombardement; waarom zouden we aannemen dat slechts één rots verantwoordelijk was voor het uithakken van de aarde? Het is mogelijk dat meerdere inslagen de maan hebben gemaakt, zei Raluca Rufu, een planetaire wetenschapper aan het Weizmann Institute of Science in Rehovot, Israël.

In een paper die afgelopen winter werd gepubliceerd, stelde ze dat de maan van de aarde niet de oorspronkelijke maan is. Het is in plaats daarvan een compendium van creatie met duizend sneden – of op zijn minst een dozijn, volgens haar simulaties. Projectielen die vanuit meerdere hoeken en met meerdere snelheden binnenkomen, zouden de aarde raken en schijven vormen, die samenvloeien tot ‘moonlets’, in wezen kruimels die kleiner zijn dan de huidige maan van de aarde. Interacties tussen moonlets van verschillende leeftijden zorgen ervoor dat ze samensmelten en uiteindelijk de maan vormen die we vandaag kennen.

Planetaire wetenschappers waren ontvankelijk toen haar paper vorig jaar werd gepubliceerd; Robin Canup, een maanwetenschapper aan het Southwest Research Institute en decaan van maanvormingstheorieën, zei dat het het overwegen waard was. Er blijft echter meer testen. Rufu weet niet zeker of de moonlets in hun orbitale posities zouden zijn vergrendeld, vergelijkbaar met hoe de maan van de aarde constant in dezelfde richting wijst; als dat zo is, weet ze niet zeker hoe ze zouden kunnen fuseren. “Dat is wat we nu proberen uit te zoeken,” zei Rufu.

Ondertussen hebben anderen zich tot een andere verklaring gewend voor de gelijkenis van de aarde en de maan, een die misschien een heel eenvoudig antwoord heeft. Van synestieën tot moonlets, nieuwe fysische modellen – en nieuwe fysica – zijn misschien betwistbaar. Het is mogelijk dat de maan er precies zo uitziet als de aarde, omdat Theia dat ook deed.

Oded Aharonson, een planetaire wetenschapper aan het Weizmann Institute of Technology, samen met zijn promovendus Raluca Rufu (links). Het paar bedacht een computersimulatie die laat zien dat twee maantjes samenkomen om een groter lichaam te vormen (rechts).

portretten); Met dank aan Raluca Rufu en Oded Aharonson (animatie)

Allemaal hetzelfde spul

De maan is niet het enige aardachtige ding in het zonnestelsel. Rotsen zoals troctoliet 76536 delen een zuurstofisotoopverhouding met aardgesteenten en een groep asteroïden die enstatite chondrieten worden genoemd. De zuurstofisotopensamenstelling van deze asteroïden lijkt sterk op die van de aarde, zei Myriam Telus, een kosmochemicus die meteorieten bestudeert aan de Carnegie Institution in Washington, DC. de zon, ‘zei ze. Ze zijn waarschijnlijk gevormd in de buurt van waar de aarde dat deed.

Sommige van deze rotsen kwamen samen om de aarde te vormen; anderen zouden zich hebben verenigd om Theia te vormen. De enstatite chondrieten zijn het afval, overblijfselen van gesteenten die nooit zijn gecombineerd en groot genoeg zijn geworden om mantels, kernen en volwaardige planeten te vormen.

In januari voerde Nicolas Dauphas, een geofysicus aan de Universiteit van Chicago, aan dat het merendeel van de rotsen die de aarde werden, meteorieten van het enstatiet-type waren. Hij voerde aan dat alles wat in dezelfde regio wordt gevormd ook van hen zou worden gemaakt. Planeetopbouw vond plaats met dezelfde voorgemengde materialen die we nu zowel in de maan als op de aarde aantreffen; ze zien er hetzelfde uit omdat ze hetzelfde zijn. “Het gigantische botslichaam dat de maan vormde, had waarschijnlijk een isotopensamenstelling die vergelijkbaar is met die van de aarde”, schreef Dauphas.

David Stevenson, een planetaire wetenschapper aan het California Institute of Technology die de oorsprong van de maan heeft bestudeerd sinds de Theia-hypothese voor het eerst werd gepresenteerd in 1974, zei dat hij dit artikel beschouwt als de belangrijkste bijdrage aan het debat van het afgelopen jaar, en zei dat het een probleem aanpakt dat geochemisten waar we al decennia mee worstelen.

“Hij heeft een verhaal samengesteld dat kwantitatief is; het is een slim verhaal, over hoe je moet kijken naar de verschillende elementen die de aarde ingaan, ‘zei Stevenson. “Daaruit kan hij een verhaal terughalen van de specifieke volgorde van de vorming van de aarde, en in die volgorde spelen de enstatite chondrieten een belangrijke rol.”

Niet iedereen is echter overtuigd. Er zijn nog steeds vragen over de isotopenverhouding van elementen zoals wolfraam, benadrukt Stewart. Tungsten-182 is een dochter van hafnium-182, dus de verhouding tussen wolfraam en hafnium werkt als een klok en bepaalt de leeftijd van een bepaald gesteente. Als de ene rots meer wolfraam-182 heeft dan de andere, kun je gerust zeggen dat de met wolfraam gevulde rots eerder is gevormd. Maar de meest nauwkeurige metingen die beschikbaar zijn, tonen aan dat de wolfraam-halfniumverhoudingen van de aarde en de maan hetzelfde zijn. “Het zou speciale toevalligheden vergen voordat de twee lichamen zouden eindigen met bijpassende composities”, geeft Dauphas toe.

Nicolas Dauphas, een geofysicus aan de Universiteit van Chicago, houdt een stuk van een enstatiet chondriet vast, een soort asteroïde die gemaakt zou kunnen zijn van hetzelfde materiaal dat de aarde vormde (onder)

ean Lachat/ University of Chicago (Dauphas); Nicolas Dauphas (enstatite chondrite)

Aanwijzingen over andere werelden

Het begrijpen van de maan – onze constante metgezel, onze zilveren zus, het doelwit van dromers en ontdekkingsreizigers sinds onheuglijke tijden – is op zichzelf al een waardige zaak. Maar het oorsprongsverhaal, en het verhaal van rotsen zoals troctoliet 76536, is misschien maar een hoofdstuk in een veel groter epos.

“Ik zie het als een venster op een meer algemene vraag: wat gebeurde er toen er aardse planeten werden gevormd?” Zei Stevenson. “Iedereen komt momenteel tekort.”

Het begrijpen van synestieën kan daarop helpen; Lock en Stewart beweren dat synestieën zich in het vroege zonnestelsel snel zouden hebben gevormd toen protoplaneten tegen elkaar botsten en smolten. Veel rotsachtige lichamen zijn misschien begonnen als gezwollen damphalo’s, dus als je uitzoekt hoe synestieën evolueren, kunnen wetenschappers erachter komen hoe de maan en andere aardse werelden zich ontwikkelden.

Meer monsters van de maan en de aarde zouden ook helpen, vooral van elke mantel, omdat geochemisten meer gegevens zouden hebben om doorheen te zoeken. Ze zouden kunnen vertellen of de zuurstof die diep in de aarde is opgeslagen overal hetzelfde is, of dat drie gewone zuurstofisotopen bij voorkeur in verschillende gebieden rondhangen.

“Als we zeggen dat de aarde en de maan bijna identiek zijn in de drie zuurstofisotopen, gaan we ervan uit dat we werkelijk weten wat de aarde is, en dat we ook echt weten wat de maan is”, legt Stevenson uit.

YouTube filmpje

Video: deze virtual reality-tour laat zien hoe de zon, de aarde en de andere planeten zijn ontstaan.

Koorfilms voor Quanta Magazine

Nieuwe tweaks in theorieën over de oorsprong van het zonnestelsel, die vaak gebaseerd zijn op complexe computersimulaties, verhelderen ook waar planeten werden geboren en waar ze naartoe migreerden. Wetenschappers suggereren steeds vaker dat we niet op Mars kunnen rekenen om dit verhaal te vertellen, omdat het zich mogelijk in een ander deel van het zonnestelsel heeft gevormd dan de aarde, de enstatieten en Theia. Stevenson zei dat Mars niet langer als barometer voor rotsachtige planeten mag worden gebruikt.

Uiteindelijk zijn maanwetenschappers het erover eens dat de beste antwoorden te vinden zijn op Venus, de planeet die het meest op de aarde lijkt. Het kan in zijn jeugd een maan hebben gehad en die verloren hebben; het lijkt misschien erg op de aarde, of niet. “Als we een brok steen van Venus kunnen krijgen, kunnen we deze vraag [over de oorsprong van de maan] heel eenvoudig beantwoorden. Maar helaas staat dat momenteel niet op iemands prioriteitenlijst, ‘zei Lock.

Geen monsters van Venus, en zonder laboratoria die de onpeilbare drukken en temperaturen in het hart van gigantische inslagen kunnen testen, zullen maanwetenschappers nieuwe modellen moeten blijven bedenken – en het oorsprongsverhaal van de maan moeten herzien.

Dit artikel is herdrukt op TheAtlantic.com.


gerelateerd:

  1. Explorers Find Passage to Earth’s Dark Age
  2. Planet Nine Is Put on Trial in Absentia
  3. In a Grain, a Glimpse of the Cosmos
  4. Journey to the Birth of the Solar System

Rebecca Boyle, auteur bij Quanta Magazine

Lees op Quanta Magazine


Geef een reactie

Vul je gegevens in of klik op een icoon om in te loggen.

WordPress.com logo

Je reageert onder je WordPress.com account. Log uit /  Bijwerken )

Google photo

Je reageert onder je Google account. Log uit /  Bijwerken )

Twitter-afbeelding

Je reageert onder je Twitter account. Log uit /  Bijwerken )

Facebook foto

Je reageert onder je Facebook account. Log uit /  Bijwerken )

Verbinden met %s