Op 13 december 1972 naderde Apollo 17-astronaut Garisson Schmitt een rotsblok in de Sea of Tranquility on the Moon. 'Dit rotsblok heeft zijn eigen pad dat rechtstreeks naar de heuvel leidt,' informeerde hij zijn commandant, Eugene Cernan, waarbij hij opmerkte waar het rotsblok was voordat hij de heuvel afrolde. Cernan nam wat monsters.
'Stel je voor hoe het zou zijn geweest als je daar had gestaan voordat dit rotsblok rolde,' zei Cernan bedachtzaam. 'Ik zou het waarschijnlijk niet beter doen,' antwoordde Schmitt.
De astronauten hebben stukjes van de maan uit het rotsblok gesneden. Vervolgens schraapte Schmitt met een hark het stoffige oppervlak weg en tilde hij een kiezelsteen op die later troctoliet 76536 zou worden genoemd.
Die rots en zijn kei-broers zouden het verhaal vertellen van hoe onze maan tot stand kwam. In dit scheppingsverhaal, opgetekend in talloze studieboeken en stukken van wetenschapsmuseums in de afgelopen veertig jaar, is de maan gesmolten uit een catastrofale botsing tussen een kiemaarde en een solide wereld ter grootte van Mars. De andere wereld heette Teia, naar de Griekse godin die het leven schonk aan Selene, de maan. Theia stortte zo hard op de aarde dat beide werelden smolten. De stromen gesmolten materiaal die door Theia werden weggegooid, koelden vervolgens af en stolden, en vormden de zilverachtige metgezel die we allemaal goed kennen.
Maar moderne metingen van troctoliet 76536 en andere gesteenten van de maan en Mars hebben deze theorie in twijfel getrokken. In de afgelopen vijf jaar hebben meerdere onderzoeken een probleem aan het licht gebracht: de canonieke gigantische botsingshypothese is gebaseerd op veronderstellingen die niet overeenkomen met het bewijs. Als Theia de aarde raakte en later de maan vormde, moet de maan gemaakt zijn van het materiaal van Theia. Maar de maan is niet zoals Theia - of Mars, wat dat betreft. Voor de atomen zelf ziet het er bijna hetzelfde uit als de aarde.
Geconfronteerd met deze inconsistentie, zochten maanonderzoekers naar nieuwe ideeën om te begrijpen hoe de maan tot stand kwam. De meest voor de hand liggende oplossing is misschien wel de eenvoudigste, maar het geeft aanleiding tot andere problemen bij het begrijpen van het jonge zonnestelsel: misschien heeft Theia de maan gevormd, maar Theia bestond ook uit een stof die bijna identiek is aan de aarde. Als alternatief mengde het botsingsproces alles, waarbij de afzonderlijke stukken en vloeistoffen in de cake werden gehomogeniseerd, die vervolgens in porties werd gesneden. In dit geval moest de botsing extreem krachtig zijn, of er moesten er meerdere zijn. De derde verklaring stelt ons begrip van de planeten in vraag. Het kan zijn dat de aarde en de maan die we vandaag hebben, vreemde metamorfoses en wilde orbitale dansen hebben ondergaan die hun rotatie en toekomst radicaal hebben veranderd.
Promotie video:
Slecht nieuws voor Teia
Om te begrijpen wat er op de belangrijkste dag voor de aarde had kunnen gebeuren, moet je beginnen met het begrijpen van de jeugd van het zonnestelsel. Vier en een half miljard jaar geleden werd de zon omringd door een hete wolk van donutvormig puin. De sterrenelementen draaiden rond onze pasgeboren zon, koelden af en - door de jaren heen - samensmelten in een proces dat we niet helemaal begrijpen. Eerst tot klonten, dan tot planetesimalen, dan tot planeten. Deze vaste stoffen waren stijf en kwamen vaak in botsing, verdampten en kwamen weer tevoorschijn. Het was in dit ongelooflijk harde stellaire biljart dat de aarde en de maan werden gesmeed.
Om de maan te krijgen die we vandaag hebben, met zijn grootte, rotatie en de snelheid waarmee hij zich van de aarde verwijdert, zeggen onze beste computermodellen dat waar de aarde ook mee in botsing komt, het iets ter grootte van Mars moet zijn. Alles wat meer of minder is, zou al een systeem opleveren met een veel groter impulsmoment dan we waarnemen. Een groter projectiel zou ook te veel ijzer in de baan van de aarde werpen en een maan produceren die veel rijker is aan ijzer dan we waarnemen.
De eerste geochemische studies van troctoliet 76536 en andere gesteenten ondersteunden dit verhaal. Ze toonden aan dat maanrotsen geboren moeten zijn in een maanoceaan van magma, dat op zijn beurt zou kunnen verschijnen door een gigantische botsing. Troctoliet dreef in de gesmolten zee als een ijsberg op Antarctica. Op basis van deze fysieke beperkingen besloten wetenschappers dat de maan was gemaakt van de overblijfselen van Theia. Maar er is een probleem.
Laten we teruggaan naar het jonge zonnestelsel. Toen de vaste werelden met elkaar in botsing kwamen en verdampten, vermengde hun inhoud zich en vestigde zich uiteindelijk in afzonderlijke regio's. Dichter bij de zon, waar het warmer was, hadden de lichtere elementen meer kans om op te warmen en te ontsnappen, waardoor een overmaat aan zware isotopen (variaties van elementen met extra neutronen) achterbleven. Verder van de zon konden rotsen meer water vasthouden en bleven er lichtere isotopen over. Daarom kan een wetenschapper een mengsel van isotopen onderzoeken om te bepalen in welk deel van het zonnestelsel het verscheen, net zoals een accent iemands thuisland verraadt.
Deze verschillen zijn zo uitgesproken dat ze worden gebruikt om planeten en soorten meteorieten te classificeren. Mars verschilt bijvoorbeeld zo van de aarde dat zijn meteorieten kunnen worden geïdentificeerd door simpelweg de verhouding van drie verschillende zuurstofisotopen te meten.
In 2001 onderzochten Zwitserse wetenschappers troctoliet 76536 en andere maanmonsters opnieuw met behulp van geavanceerde massaspectrometrietechnieken. Het bleek dat hun zuurstofisotopen niet te onderscheiden zijn van die op aarde. Geochemisten hebben sindsdien titanium, wolfraam, chroom, rubidium, kalium en andere niet-zo-gewone metalen op aarde bestudeerd - en ze zagen er allemaal ongeveer hetzelfde uit.
Dit is slecht nieuws voor Teia. Als Mars zo verschillend is van de aarde, moet Theia - en dus de maan - ook anders zijn. Als ze hetzelfde zijn, betekent dit dat de maan gevormd zou moeten zijn uit gesmolten stukjes van de aarde. De rotsen die door Apollo zijn verzameld, blijken direct in tegenspraak te zijn met wat de natuurkunde beweert.
"Het canonieke model verkeert in een ernstige crisis", zegt Sarah Stewart, een planetaire wetenschapper aan de University of California, Davis. 'Ze is nog niet helemaal vermoord, maar haar huidige status is dat ze niet werkt.'
Maan van stoom
Stewart heeft geprobeerd de fysieke beperkingen van dit probleem - de behoefte aan een botslichaam van specifieke grootte dat met een bepaalde snelheid beweegt - te heroverwegen tegen de achtergrond van nieuw geochemisch bewijs. In 2012 stelden zij en Matiya Zhuk, nu bij het SETI Institute, een nieuw fysiek model voor de vorming van de maan voor. Ze verklaarden dat de jonge aarde een draaiende derwisj was, wiens dag twee tot drie uur duurde, toen hij werd geraakt door Theia. De botsing produceerde een schijf rond de aarde - zoals de ring van Saturnus - maar die duurde maar 24 uur. Uiteindelijk koelde de schijf af en stolde om de maan te vormen.
Supercomputers zijn niet krachtig genoeg om dit proces volledig te simuleren, maar ze hebben aangetoond dat een projectiel dat in zo'n snel draaiende wereld botst, genoeg aarde kan afschuiven, Theia volledig kan vernietigen en genoeg huid van beide kan afschrapen om een maan en aarde te creëren met dezelfde isotopenverhoudingen. Als een pottenbakker op een pottenbakkersschijf.
Om de verklaring van de snel roterende aarde juist te laten zijn, moet er echter iets anders zijn dat de rotatiesnelheid van de planeet naar zijn huidige toestand vertraagt. In hun paper uit 2012 voerden Stewart en Chuck aan dat voor bepaalde orbitaalresonante interacties de aarde het impulsmoment op de zon had moeten overbrengen. Later stelde Jack Wisdom van het Massachusetts Institute of Technology verschillende alternatieve scenario's voor voor het extraheren van impulsmoment uit het aarde-maansysteem.
Geen van de verklaringen was echter bevredigend. De modellen uit 2012 hebben de baan of de chemie van de maan nooit kunnen verklaren, zegt Stewart. En zo presenteerde Simon Locke, een afgestudeerde van Harvard en destijds Stuart-student, vorig jaar een bijgewerkt model dat een voorheen onzichtbare planetaire structuur suggereerde.
Volgens hem verdampte elk stukje aarde en Teia en vormde een gezwollen, gezwollen wolk in de vorm van een dikke donut. De wolk roteerde zo snel dat hij een punt bereikte dat de co-rotatielimiet wordt genoemd. Aan deze buitenrand van de wolk cirkelde het verdampte gesteente zo snel dat de wolk een nieuwe structuur kreeg, met een dikke schijf rond het binnenste gebied. Belangrijk is dat de schijf niet op dezelfde manier werd gescheiden van het centrale gebied als de ringen van Saturnus.
De omstandigheden in deze structuur zijn onbeschrijfelijk helse; er is geen oppervlak, maar wolken van gesmolten gesteente, waarbij elk gebied van de wolk regendruppels van gesmolten gesteente vormt. De manen groeiden in deze damp, zegt Locke, voordat de damp uiteindelijk afkoelde en het aarde-maan-systeem achterliet.
Gezien de ongebruikelijke kenmerken van de structuur, vonden Locke en Stewart dat het een nieuwe naam verdiende. Ze probeerden verschillende versies voordat ze bij 'synestia' kwamen, dat het Griekse voorvoegsel 'sin' gebruikt, wat 'samen' betekent, en de godin Hestia, die staat voor huis, haard en architectuur. Dit woord betekent "verbonden structuur", zegt Stewart.
'Deze lichamen zijn niet wat je denkt. En ze zien er niet uit zoals je dacht dat ze eruit zouden zien."
In mei publiceerden Locke en Stewart een artikel over de fysica van synesthesie; hun werk aan maansynesthesie is nog in behandeling. Ze presenteerden het op een planetaire conferentie en zeiden dat hun collega's geïnteresseerd waren, maar het nauwelijks eens waren met het idee. Misschien omdat synestie slechts een idee blijft; in tegenstelling tot geringde planeten, die er veel zijn in het zonnestelsel, en protoplanetaire schijven, die er veel zijn in het universum, heeft niemand ooit een enkele gezien.
Maar het is een leuke manier om de eigenaardigheden van onze maan uit te leggen als onze modellen niet lijken te werken.
Tien manen
Van de natuurlijke satellieten van het zonnestelsel is de maan van de aarde misschien wel de meest verbazingwekkende vanwege zijn eenzaamheid. Mercurius en Venus hebben geen natuurlijke satellieten, deels vanwege hun nabijheid tot de zon, waarvan de zwaartekracht de banen van de satellieten onstabiel maakt. Mars heeft kleine Phobos en Deimos, waarvan sommigen geloven dat ze door asteroïden worden gevangen; anderen zijn voorstander van grote lichamen die naar Mars vallen. De gasreuzen hebben veel satellieten, zowel hard als zacht.
In tegenstelling tot deze satellieten valt de aardse satelliet ook op door zijn grootte en de fysieke belasting die hij met zich meebrengt. De maan maakt minder dan 1% van de aarde uit in massa, en de totale massa van de satellieten van de buitenplaneten is minder dan 1/10 procent van hun ouders. Wat nog belangrijker is, de maan is goed voor 80% van het impulsmoment van het aardesysteem -
Maan. Met andere woorden, de maan is verantwoordelijk voor 80% van de beweging van het systeem als geheel. Voor de buitenplaneten is deze waarde minder dan 1%.
Misschien droeg Luna niet altijd al deze lasten. Het gezicht van de satelliet vertoont tekenen van zware bombardementen; waarom zouden we dan aannemen dat slechts één slag de maan uit de aarde heeft gevormd? Volgens Raluka Rufu, een planetaire wetenschapper aan het Weizman Research Institute in Israël, kan de maan zijn ontstaan in de loop van vele botsingen.
In een paper dat afgelopen winter werd gepubliceerd, betoogde ze dat de satelliet van de aarde misschien niet origineel is. In plaats daarvan werd het een verzameling van duizenden stukken - op zijn minst tien, op basis van haar berekeningen. De projectielen vlogen onder verschillende hoeken en met verschillende snelheden naar de aarde en vormden schijven die samensmolten tot "maanafval" en uiteindelijk de maan verblindden zoals we die nu kennen.
Planetaire wetenschappers namen nota van haar werk. Robin Canup, een maanwetenschapper aan het Southwest Research Institute en een expert op het gebied van theorieën over maanvorming, zegt dat de theorie het overwegen waard is. Er is echter meer onderzoek nodig. Rufu weet niet zeker of het puin in dezelfde richting bewoog, net zoals de maan constant in dezelfde richting kijkt. Zo ja, hoe konden ze überhaupt zijn samengevoegd? Dit valt nog te bezien.
Ondertussen hebben anderen zich tot een andere verklaring gewend voor de overeenkomsten tussen de aarde en de maan, die een heel eenvoudig antwoord zou kunnen hebben. Van synestieën tot maanbanden, nieuwe fysica-modellen - en nieuwe fysica - kunnen controversieel zijn. Misschien lijkt de maan alleen op de aarde omdat Theia vergelijkbaar was.
Dezelfde
De maan is niet het enige "aardse" ding in het zonnestelsel. Gesteenten zoals troctoliet 76536 hebben dezelfde zuurstofisotoopverhouding als terrestrische gesteenten, evenals groepen asteroïden - enstatiete chondrieten. De zuurstofisotopen van deze asteroïden zijn vergelijkbaar met die op aarde, zegt Miriam Telus, een kosmochemicus die meteorieten bestudeert aan het Carnegie Institution in Washington. "Een van de argumenten is dat ze zich hebben gevormd in hete delen van de schijf die dichter bij de zon kunnen zijn", zegt ze. Ze kunnen zich in de buurt van de aarde hebben gevormd.
Sommige van deze rotsen kwamen samen om de aarde te vormen; anderen vormden Theia. Enstatite chondrieten zijn restgesteenten die nooit zijn verzameld of groot genoeg zijn gegroeid om mantels, kernen en volledig gevormde planeten te vormen.
In januari verklaarde Nicholas Daufas, een geofysicus aan de Universiteit van Chicago, dat de meeste rotsen die de aarde werden, meteorieten van het enstatiet-type waren. Hij voerde aan dat alles wat zich in één regio vormde, bij hen zou worden verzameld. Planetaire constructie vond plaats met dezelfde gemengde materialen die we nu op aarde en de maan vinden; ze zien er hetzelfde uit omdat ze hetzelfde zijn. Het gigantische lichaam dat de maan vormde, had waarschijnlijk een isotopensamenstelling die vergelijkbaar is met die van de aarde.
David Stevenson, een planetaire wetenschapper van het California Institute of Technology die de oorsprong van de maan heeft bestudeerd sinds Theia's hypothese voor het eerst werd gepresenteerd in 1974, zegt dat hij dit werk beschouwt als de belangrijkste bijdrage aan de controverse van het afgelopen jaar. Omdat het zich richt op een probleem dat geochemici al decennia proberen op te lossen.
"Dit is een slim verhaal over hoe de verschillende elementen die de aarde bereiken, moeten worden bekeken", zegt Stevenson.
Maar niet iedereen is het daarmee eens. Er blijven vragen over de isotopenverhoudingen van elementen zoals wolfraam, merkt Stewart op. Wolfraam-182 is afgeleid van hafnium-182, dus de verhouding tussen wolfraam en hafnium werkt als een klok om de ouderdom van een bepaald gesteente te bepalen. Als de ene rots meer wolfraam-182 heeft dan de andere, kun je gerust zeggen dat de wolfraamrijke rots eerder is gevormd. Maar de meest nauwkeurige metingen laten zien dat de verhoudingen van wolfraam tot hafnium hetzelfde zijn voor de aarde en de maan. Twee lichamen moesten in speciale omstandigheden verkeren om dit te laten gebeuren.
Gebaseerd op materialen van Quanta
Ilya Khel