Jak powstał Księżyc? Dominuje jedna teoria, ale... są wątpliwości
Od tysięcy lat patrzymy w niebo i z zachwytem obserwujemy srebrny glob zawieszony na nocnym niebie. Księżyc towarzyszy Ziemi nieprzerwanie - wpływa na pływy morskie, rytm dobowy wielu organizmów, a może i nasz nastrój. Ale skąd właściwie się wziął? Choć najbardziej rozpowszechnioną teorią jest tzw. hipoteza wielkiego zderzenia, to naukowcy wciąż spierają się o szczegóły, a na stole leży kilka alternatywnych scenariuszy.
Około 4,5 mld lat temu, czyli niedługo po uformowaniu się Układu Słonecznego doszło do jednej z najbardziej katastrofalnych i zarazem twórczych kolizji w historii naszej planety. Ziemia – wtedy jeszcze niedokończona, w fazie tzw. proto-Ziemi – została uderzona przez ciało niebieskie wielkości Marsa.
Zderzenie, które zmieniło wszystko
Obiekt ten otrzymał nazwę Teja - od tytanidy z mitologii greckiej, matki bogini Księżyca. Szacuje się, że Teja miała średnicę około 6–7 tys. km i masę wynoszącą około 10–15 proc. masy Ziemi.
Symulacje komputerowe tego scenariusza sugerują prędkość obiektu uderzającego na 9,3 km/s w momencie uderzenia i kąt uderzenia około 45 stopni. Energia zaangażowana w to zderzenie była imponująca - biliony ton materiału zostało odparowane i stopione. W niektórych częściach Ziemi temperatura wzrosła do 10 tys. stopni C.
Zderzenie to było tak potężne, że wyrzuciło w przestrzeń kosmiczną ogromne ilości rozgrzanej materii – głównie z płaszcza Ziemi, ale prawdopodobnie również z samej Tei. W wyniku tej eksplozji wokół Ziemi utworzył się pierścień z odłamków, który mógł utrzymywać się przez setki tysięcy lat.
Z czasem materia zaczęła się zagęszczać i akreować tworząc nowy obiekt – Księżyc. Proces ten mógł trwać od kilkudziesięciu do kilkuset milionów lat, ale efektem było powstanie naturalnego satelity o średnicy 3474 km i masie stanowiącej 1/81 masy Ziemi.
Tajemnice Księżyca
Wielkie zderzenie miało także inne konsekwencje. Uważa się, że to właśnie wtedy doszło do przechylenia osi obrotu Ziemi o około 23,5 stopni, co bezpośrednio przyczyniło się do powstania pór roku. Dodatkowo energia kinetyczna uwolniona podczas kolizji prawdopodobnie przegrzała wnętrze Ziemi, co wpłynęło na dalszą ewolucję jej jądra i pola magnetycznego.
To był jeden z momentów granicznych w historii naszej planety – bez tej kolizji Ziemia mogłaby wyglądać dziś zupełnie inaczej, a być może w ogóle nie byłaby przyjazna życiu.
Relatywnie małe jądro żelazne Księżyca (w porównaniu do innych skalistych planet i księżyców w Układzie Słonecznym) jest wyjaśnione tym, że jądro Tei w większości połączyło się z jądrem Ziemi.
Choć teoria wielkiego zderzenia jest dziś uznawana za dominującą, wciąż pozostaje tajemnicą, dlaczego skład izotopowy Księżyca jest niemal identyczny jak Ziemi. Gdyby Teja była niezależnym ciałem, jej chemiczny „podpis” powinien się różnić.
Tymczasem izotopy tlenu i tytanu w próbkach z misji Apollo pokazują zdumiewające podobieństwo – różnice wynoszą mniej niż 4 części na milion. To sprawia, że niektórzy naukowcy podejrzewają, iż Teja mogła powstać w tej samej strefie co Ziemia, lub że do uformowania Księżyca doszło w zupełnie inny sposób, niż dotąd sądzimy.
Chemiczne puzzle nie pasują
Mimo że hipoteza wielkiego zderzenia cieszy się dużym poparciem, nie wszystko w niej się zgadza. Głównym problemem są tzw. izotopy tlenu. Każde ciało w Układzie Słonecznym – planeta, planetoida czy kometa – ma swój unikalny chemiczny podpis. To jak kod DNA, który pozwala naukowcom ustalić pochodzenie materiału.
Tymczasem izotopy tlenu w skałach księżycowych są niemal identyczne jak te na Ziemi. Gdyby Teja była obcym ciałem, jej skład powinien się różnić. A to oznacza, że Księżyc powinien być mieszanką materiału z dwóch planet o różnych podpisach. Tymczasem różnice są mniejsze niż na poziomie kilku części na milion.
Jeszcze ciekawsza jest kwestia izotopów tytanu – w szczególności stosunku 50Ti do 47Ti. Ten parametr u Księżyca i Ziemi również jest praktycznie identyczny – różnice nie przekraczają 4 ppm (części na milion). To jakby próbować odróżnić bliźnięta jednojajowe po kolorze włosów, kiedy obaj mają tę samą fryzurę i farbę. To rodzi pytanie - czy Księżyc rzeczywiście powstał z materiału Tei, czy raczej z samej Ziemi?
Więcej o Księżycu na Spider's Web:
Zagadka goni zagadkę
Teoria o wielkim zderzeniu jest cały czas badana, a wyniki tych badań bywają zaskakujące. Dosłownie kilka miesięcy temu zespół badawczy z Uniwersytetu w Getyndze oraz Instytutu Maxa Plancka ds. Badań Układu Słonecznego przyjrzał się uważnie izotopom tlenu w próbkach księżycowych i odkrył coś zaskakującego. Materiał, z którego powstał nasz naturalny satelita jest niemal identyczny z tym, który tworzy Ziemię. A to oznacza jedno - Teja, jeśli w ogóle istniała, zostawiła po sobie ledwie ślad.
Problem w tym, że od lat naukowcy głowią się nad jednym kluczowym szczegółem - składem izotopowym Księżyca. Próbek księżycowych mamy całkiem sporo — głównie dzięki misjom Apollo — i niemal wszystkie wykazują uderzające podobieństwo do skał ziemskich. To zjawisko określa się mianem kryzysu izotopowego, ponieważ według modelu wielkiego zderzenia przynajmniej część Księżyca powinna pochodzić z Tei, czyli z ciała o innym, obcym pochodzeniu. A jednak tego nie widać.
Zespół badawczy z Niemiec postanowił sprawdzić to raz jeszcze — ale z większą precyzją niż kiedykolwiek wcześniej. Naukowcy przeanalizowali 14 próbek księżycowych i wykonali aż 191 bardzo dokładnych pomiarów na minerałach pochodzących z płaszcza Ziemi. Kluczową rolę odegrała tu nowoczesna technologia - tlen uwalniano ze skał za pomocą specjalistycznego lasera, co pozwalało na ekstremalnie precyzyjne określenie stosunków izotopowych tlenu.
Wyniki? Zaskakująco jednoznaczne. Różnice między składem izotopowym tlenu w próbkach z Ziemi i z Księżyca były praktycznie niezauważalne. Takie podobieństwo jest trudne do wytłumaczenia, jeśli zakładamy, że połowa (albo więcej) materii tworzącej Księżyc miała pochodzić z innego ciała.
Jedno z wyjaśnień jest takie, że Teja utraciła swój skalny płaszcz w wyniku wcześniejszych zderzeń, a następnie uderzyła w młodą Ziemię niczym metalowa kula armatnia. Gdyby tak było, Teja stałaby się częścią rdzenia Ziemi, a Księżyc uformowałby się z materiału wyrzuconego z płaszcza planety. To wyjaśniałoby podobieństwo w składzie Ziemi i Księżyca – mówi w rozmowie z PAP prof. Andreas Pack, współautor publikacji, która ukazała się w piśmie Proceedings of the National Academy of Sciences.
Alternatywne teorie: fuzja, przechwycenie i pył kosmiczny
To właśnie te nieścisłości sprawiły, że naukowcy zaczęli przyglądać się innym scenariuszom. Jednym z nich jest hipoteza współtworzenia, czyli teoria kondensacji. Zakłada, że Ziemia i Księżyc powstały równocześnie z tego samego obłoku gazu i pyłu, który orbitował wokół młodego Słońca.
To tłumaczyłoby identyczny skład chemiczny, ale nie wyjaśnia, dlaczego Księżyc krąży właśnie wokół Ziemi, a nie tworzy osobnej planety. I dlaczego nasz satelita ma tak małe jądro żelazne w porównaniu do Ziemi?
Inna propozycja to hipoteza przechwycenia. Według niej Księżyc powstał gdzieś indziej, ale został przechwycony przez pole grawitacyjne Ziemi. Jedna z hipotez, przedstawiona jedynie jako możliwość, zakładała, że Ziemia przechwyciła Księżyc z Wenus. Problem w tym, że taka operacja w warunkach kosmicznych graniczy z cudem. Potrzebne byłyby idealne warunki prędkości i kąta wejścia. A mimo wszystko nie tłumaczy to podobieństw chemicznych.
Ciekawa jest też tzw. hipoteza fuzji, która mówi o tym, że młoda Ziemia obracała się tak szybko, że z jej powierzchni oderwał się fragment masy – z tej masy miał powstać Księżyc. Tyle że do tego Ziemia musiałaby obracać się z prędkością zbliżoną do tej, przy której rozpadłaby się na kawałki.
Na stole leży również teoria synestii. To stosunkowo nowa koncepcja zakładająca, że w wyniku wielkiego zderzenia powstała nie pierścieniowa chmura, lecz rodzaj rozgrzanej do czerwoności, wirującej, płaskiej struktury przypominającej pączka, z której jednocześnie uformowały się Ziemia i Księżyc. Takie podejście mogłoby tłumaczyć identyczne podpisy chemiczne, ale wciąż jest to model teoretyczny, który wymaga dalszych badań.
A może eksplozja jądrowa?
Bardziej radykalna alternatywna hipoteza, opublikowana w 1997 r. przez rosyjskiego naukowca Władimira Anisiczkina zakłada, że Księżyc mógł powstać w wyniku eksplozji jądrowej proto-Ziemi. Zgodnie z nią Księżyc mógł powstać w wyniku eksplozji jądrowej aktynowców (grupa pierwiastków chemicznych m.in. uran i pluton) znajdujących się w stałym jądrze wewnętrznym Ziemi.
Holenderscy naukowcy Rob de Meijer i Wim van Westrenen zasugerowali w 2010 r., że Księżyc mógł powstać w wyniku eksplozji jądrowej spowodowanej siłą odśrodkową wirującej proto-Ziemi. Siła odśrodkowa skoncentrowałaby ciężkie pierwiastki, takie jak tor i uran na granicy między zewnętrznym jądrem a płaszczem Ziemi.
Gdyby stężenia tych radioaktywnych pierwiastków były wystarczająco wysokie, mogłoby to doprowadzić do reakcji łańcuchowej jądrowej, która stałaby się nadkrytyczna, powodując eksplozję jądrową wyrzucającą Księżyc na orbitę.
Hipoteza bombardowania
Inny model sugeruje, że Księżyc powstał w wyniku gwałtownego deszczu dużych planetoid o rozmiarze od 1 do 100 km, które wielokrotnie uderzały w młodą Ziemię przez miliony lat.
Taka seria mniejszych uderzeń, które prawdopodobnie były częstsze we wczesnym Układzie Słonecznym, mogła wyrzucić na orbitę wystarczająco dużo skalistych szczątków Ziemi, aby utworzyć dysk protosatelitarny, który później uformuje się w mały księżyc.
Księżyc wciąż skrywa swoje tajemnice
Mimo dziesięcioleci badań, analiz próbek z misji Apollo i nowoczesnych symulacji komputerowych, wciąż nie mamy jednej, pewnej odpowiedzi na pytanie o pochodzenie Księżyca. Hipoteza wielkiego zderzenia pozostaje najbliżej prawdy, ale nie jest wolna od luk i niewiadomych.
To tylko pokazuje, jak dynamiczna jest nauka. Nowe dane, nowe technologie, nowe spojrzenia – wszystko to może zupełnie zmienić nasze rozumienie tego, jak powstała najbliższa sąsiadka Ziemi. A to oznacza, że Księżyc może nas jeszcze nie raz zaskoczyć.
