Księżyc, skąd pochodzi, jak się tam dostał?

Księżyc jest integralną częścią naszego życia. Wyznacza on rytm przypływów i odpływów na całym świecie jest świetlnym przewodnikiem po zachodzie Słońca i wiernym kompanem w samotną noc. Jest inspiracją dla artystów od czasów starożytnych. Od kiedy towarzyszy naszej Ziemi w wędrowce wokół Słońca prowokuje do zadumy aby się zastanowić w jaki sposób został utworzony i jak to się stało, że tam się dostał?

Księżyc, ten gigantyczny kawałek skały, który tak fascynuje ludzi, może niebawem stać się jeszcze bardziej interesujący. Nowa analiza izotopów znalezionych w księżycowym gruncie podważa panujący pogląd na temat powstania naszego najbliższego ziemskiego sąsiada.

Większość naukowców uważa, że Ziemia zderzyła się z hipotetyczną wielkości Marsa planetą zwaną Theia na początku istnienia Ziemi, wynikające zderzenie spowodowało produkcje dysku z magmy na orbicie naszej planety, który później łączył się tworząc Księżyc, około 4,5 miliarda lat temu. W tym czasie zarówno Ziemia jak i Theia były częściowo stopione, wpływ uderzenia spowodował, że rdzeń Thei połączył się z rdzeniem Ziemi, podczas gdy lżejsze elementy, magma, gruz i pyły zostały wyrzucone w kosmos gdzie ostatecznie łącząc się razem stworzyły Księżyc. Nazwano to “Teorią Wielkiego Zderzenia”. Modele komputerowe wskazują, że żeby to zderzenie mogło pozostać w zgodzie z prawami fizyki, to co najmniej 40% magmy musiałoby pochodzić z planety Theia.

Uderzenie planety "Theia" z Ziemią, która miała przyczynić się do utworzenia Księżyca: Naukowcy nie znaleźli dowodów w skałach księżycowych na istnienie "Theii" - zastanawiają się, czy "Theia" mogła być kometą z lodu. http://www.dailymail.co.uk

http://www.wired.com

Wcześniejsze badania przeprowadzone przez naukowców z Uniwersytetu Oxford, Uniwersytetu California oraz Szwajcarskiego Federalnego Instytutu Technologii [1] zweryfikowali tą hipotezę. Porównano izotopy krzemu (symbol “Si”, łac. silicium), ze skał ziemskich, jak również inne materiały z naszego układu słonecznego wraz ze skalnym materiałem z meteorytów. Badania pokazały, że jądro Ziemi i jądro Księżyca zawierają ten sam izotopowy materiał krzemu, co w konsekwencji pokazuje, że Ziemia i jej naturalny satelita były kiedyś jednym ciałem, aż do czasu kiedy wielka siła wpłynęła na ich oddzielenie.

Do grubości około 2900 kilometrów w głąb skorupy ziemskiej (mniej więcej w połowie drogi do jądra Ziemi), jest to co znamy jako Płaszcz ziemski i Skorupę ziemską. Są one przeważnie zbudowane z krzemianów, związków które zawierają stałe grupy krzemotlenowe [SiO4] utworzone przez atomy krzemu, atomy tlenu i innych pierwiastków. Idąc dalej w głąb spotkamy ciekły i stały materiał stopu niklu i żelaza, który tworzy jądro Ziemi.

Wielonarodowy zespół odkrył, że cięższe izotopy z krzemianowych próbek pobranych od Ziemi składają się cięższych izotopów krzemu. Okazało się, że planeta Mars, asteroid Vesta oraz różne chondryty (pierwotne meteoryty, które nigdy nie wyprodukowały rdzenia) nie posiadają ziemskiego podobieństwa, choć mają żelazny rdzeń. Mars jest znacznie mniejszy niż Ziemia, więc nie ma wystarczającej masy (około jedna dziesiąta masy Ziemi), aby wygenerować ciśnienie konieczne do stworzenia tego samego rdzenia, jaki znajdujemy w Ziemi.

Z drugiej strony, naukowcy odkryli, że Księżyc pokazuje podobny skład kompozycji izotopów krzemu jak Ziemia. Jednak jest on znacznie mniejszy niż Ziemia, o około 1/50 objętości kuli ziemskiej i o jeden procent masy Ziemi, co czyni mniej prawdopodobne, aby były w stanie wygenerować wystarczającą presję, wytwarzając podobne do Ziemi żelazne jądro.

Jednak taki rdzeń istnieje w centrum Księżyca, ale nikt nie potrafi wyjaśnić, jak on się tam znalazł.

Naukowcy twierdzą, że Księżyc w rzeczywistości musiał być stworzony w czasie ogromnego zderzenia przez planetę wielkości Theia, we wczesnym okresie rozwoju Ziemi. Wpływ był wystarczająco duży, że materiały, które ostatecznie stworzyły Księżyc, zmieszały się z materiałem z Ziemi. “Podobny skład izotopowy krzemianów Ziemi i Księżyca jest zgodny z proponowanym wnioskiem, że istnieje izotopowa równoważenia podczas ogromnego impaktu”, napisali autorzy.

Te badanie były pierwszą tego rodzaju analizą izotopów oferującą intrygujące spojrzenie na tworzenie Marsa, Ziemi i Księżyca. Być może pomoże to wyjaśnić, jak ewoluowało życie na Ziemi i czy mogło lub nie, zaistnieć w pewnym momencie na Marsie.

Kolejnym sposobem na sprawdzenie hipotezy jest spojrzenie na izotopy innych elementów w skałach przywiezionych z księżyca. Atomy większości pierwiastków mogą wystąpić w nieco różnych formach -jako izotopy różniących się nieco liczbą masową (łączną liczbą neutronów i protonów w jądrze) ale mają tę samą liczbę atomową (liczbę protonów w jądrze). Tlen (symbol “O”, łac. Oxygenium), na przykład, ma trzy izotopy: są to O16, O17 i O18, wskazując na różnice w liczbie neutronów, który każdy nukleon zawiera (nukleon to wspólna nazwa protonów i neutronów). Porównując dwie dowolne próbki tlenu znajdujące się na Ziemi, znajdziemy, że proporcje izotopów O16, O17 i O18 są niemal identyczne w dwóch analizowanych próbkach. Proporcje w próbkach pochodzących z meteorytów i innych planet takich jak Mars są jednak zazwyczaj inne. Więc jeśli okaże się, że próbka ma taki sam skład izotopów tlenu jak ten z planety Ziemi, to jest bardzo prawdopodobne, że próbka pochodzi z naszego ziemskiego świata.

Superksiężyc na plaży, Natsepa, Ambon, fot. Tiara Maharani @ tiaraul. http://kishu.tumblr.com

Poprzednie badania wykazała, że skład izotopowy tlenu z księżycowych próbek jest nie do odróżnienia od tego z Ziemi. Zakładając, że 40% księżyca ma pochodzić z planety Theia (która prawdopodobnie będzie miała inny skład izotopów), może to oznaczać pewne kłopoty dla hipotezy “Wielkiego Zderzenia”. Ale możliwe jest, że Ziemia mogła wymienić gazowy tlen z dyskiem magmy, który później stworzył Księżyc tuż po kolizji, a to mogłoby wyjaśnić, dlaczego wyniki izotopów tlenu są takie same.

W nowych badań, opublikowanych w “Nature Geoscience” geochemicy prowadzeni przez Junjun Zhang z Uniwersytetu w Chicago w stanie Illinois, razem z kolegą z Uniwersytetu w Bernie w Szwajcarii [2], analizowali izotopy tytanu (symbol “Ti”, łac. titanium) w 24 oddzielnych próbkach księżycowej skały i gleby. Proporcja występowania izotopu Ti50 do Ti47 jest kolejnym dobrym wskaźnikiem tego, że próbka pochodziła z Ziemi. Podobnie jak z tlenem, naukowcy odkryli, że proporcja występowania tytanu na Księżycu jest w efekcie taka sama jak na Ziemi, ale jednocześnie różni się od innych źródeł w Układzie Słonecznym. Zhang wyjaśnia, że jest mało prawdopodobne, żeby Ziemia mogła wymieniać gaz tytanu z dyskiem magmy ponieważ tytan ma bardzo wysoką temperaturę wrzenia. “Izotopowy skład tlenu byłby bardzo łatwy w homogenizowaniu, ponieważ tlen jest o wiele bardziej lotny, domyślamy się, że homogenizacja tytanu jest o wiele bardziej trudniejsza”

Ponieważ uderzająca planeta Thei musiała mieć inną izotopowa kompozycje, pomiary sugerują, że Księżyc wykonany jest w całości z materiału z Ziemi albo dokonało się intensywne wymieszanie obu ciał po uderzeniu.

Zhang i jego koledzy twierdzą, że podobieństwo nie może być wyjaśnione nawet zakładając aby oba ciał pochodziły naszego Układu Słonecznego, ponieważ próbki z innych obiektów kosmicznych wykazują duże zróżnicowanie w izotopach tytanu. Zatem jedyny wniosek, że izotopy mają bardziej prawdopodobne pochodzenie ziemskie, a nie z innej planety.

Brad Carter naukowiec z Uniwersytetu Souther Queenslad w Australii stwierdza, “że jest mało prawdopodobne, aby istniały dwie planety o takim samym składzie chemicznym,…. to nie jest niemożliwe”

Tak więc, jeśli hipoteza “Wielkiego Zderzenia” z inną skalistą planetą nie wyjaśnia genezy księżyca, to w takim razie jak się on tam znalazł?

Naukowcy mają problem - jeśli Księżyc nie został stworzony przez "Wielkie Zderzenie" z planetą wielkości Marsa, to jak się tam znalazł? http://spaceports.blogspot.ca

Jedną z możliwości jest to, że Theia była wykonana zasadniczo z lodu, coś w rodzaju Planetoidy z pasa Kuipera znajdujących się na obrzeżach Układu Słonecznego. W takiej sytuacji musiałoby być wystarczająco dużo energii uderzenia, aby lód wyparował a pozostawiony materiał Ziemi w przestrzeni kosmicznej stworzył Księżyc.

Jest również możliwe, że podmuch przechodzącego ciała spowodował, że Ziemia dostała rotacji wokół własnej osi tak szybko, że niektóre jej elementy wyrzuciła w kosmos, tworząc dysk odłamków, który zapoczątkował Księżyc. To wyjaśniałoby, dlaczego Księżyc wydaje się być wykonany w całości z materiału Ziemi. Również z tym modelem są problemy, trudno wyjaśniając, co się stało z extra momentem pędu po uformowaniu księżyca, wtedy powstałby problem ze spowolnieniem ruchu obrotowego Ziemi oraz czy Ziemia obracała by się wystarczająco szybko by tego doszło.

Planetolog Matthias Meier z Uniwersytetu w Lund w Szwecji, który nie brał udziału w tych nowych badaniach, stwierdza, że informacje tam zawarte są przekonywujące, ale jeszcze nie jest gotowy zrezygnować z hipotezy “Wielkiego Zderzenia”. “Myślę, że ogólna myśl istnienia zderzenia, formacji dysku i następnie tworzenie Księżyca, wydaje się być poprawna, ale dokument ten pokazuje nam, że nadal nie rozumiem, jaki jest mechanizm, dużo jest jeszcze pracy do zrobienia w tej dziedzinie ”

Jak na razie naukowcy nie twierdzą, że obalili hipotezę “Wielkiego Zderzenia” “Nasze badania nie mogą jeszcze dostarczyć jednoznacznej odpowiedzi na pochodzenie Księżyca “, mówi Zhang. “Mamy nadzieje, że pokazanie izotopowej jednorodność pomiędzy Ziemią i Księżycem jest jednym z ważnych elementów poznania ewolucji pary Ziemia-Księżyc”.

Opracował: Sławomir Kowalczyk, Marzec 2012

[1]-R. Bastian Georg, Alex N. Halliday, Edwin A. Schauble and Ben C. Reynolds. Silicon in the Earth’s core. Nature 447, 1102-1106 (28 June 2007)

[2]-Junjun Zhang, Nicolas Dauphas, Andrew M. Davis, Ingo Leya & Alexei Fedkin. The proto-Earth as a significant source of lunar material. Nature Geoscience (2012) doi:10.1038/ngeo1429

 

Leave a Reply