Den 13. december 1972 nærmede Apollo 17-astronauten Garisson Schmitt sig en klippe i søen af ro på månen.”Denne klippe har sin egen lille sti, der fører direkte til bakken,” fortalte han sin kommandør, Eugene Cernan, og bemærkede, hvor kampesten var før han rullede ned ad bakken. Cernan tog nogle prøver.
"Forestil dig, hvordan det ville have været, hvis du havde stået der, før denne klippe rullede," sagde Cernan tankevækkende.”Jeg ville sandsynligvis ikke gøre det bedre,” svarede Schmitt.
Astronauterne udskåret stykker af månen fra kampesten. Derefter skrabede Schmitt ved hjælp af en rake den støvede overflade og løftede en sten, der senere blev kaldt troctolite 76536.
Denne klippe og dens klodsebrødre skulle fortælle historien om, hvordan vores måne blev. I denne skabelseshistorie, der er optaget i utallige lærebøger og videnskabelige museumsstykker gennem de sidste fyrre år, blev Månen smeltet ud af en katastrofal kollision mellem en kimjord og en solid, Mars-stor verden. Den anden verden blev kaldt Teia, efter den græske gudinde, som fødte Selene, månen. Theia styrtede så hårdt ned på jorden, at begge verdener smeltede. Strømmene af smeltet materiale, der blev kastet ud af Theia, blev derefter afkølet og størknet, hvilket danner den sølvfarvede ledsager, som vi alle kender godt.
Men moderne målinger af troctolite 76536 og andre klipper fra Månen og Mars har sat spørgsmålstegn ved denne teori. I løbet af de sidste fem år har flere undersøgelser afsløret et problem: den kanoniske kæmpekollisionshypotese er baseret på antagelser, der ikke stemmer overens med beviserne. Hvis Theia ramte Jorden og senere dannede Månen, skal Månen være lavet af Theias materiale. Men Månen er ikke som Theia - eller Mars, for den sags skyld. For selve atomerne ser det næsten ud som Jorden.
Konfronteret med denne inkonsekvens søgte månefiskere nye ideer til at forstå, hvordan månen blev. Den mest indlysende løsning er muligvis den enkleste, men den giver anledning til andre problemer med at forstå det unge solsystem: måske Theia dannede Månen, men Theia bestod også af et stof, der er næsten identisk med jorden. Alternativt blandede kollisionsprocessen alt sammen, homogeniserede de enkelte stykker og væsker i kagen, som derefter blev skåret i portioner. I dette tilfælde måtte kollisionen være ekstremt kraftig, eller der måtte være flere af dem. Den tredje forklaring sætter spørgsmålstegn ved vores forståelse af planeterne. Det kan være, at Jorden og månen, vi har i dag, har gennemgået underlige metamorfoser og vilde orbitaldanse, der radikalt har ændret deres rotation og fremtid.
Salgsfremmende video:
Dårlige nyheder for Teia
For at forstå, hvad der kunne være sket på den vigtigste dag for Jorden, skal du starte med at forstå solsystemets ungdom. For fire og en halv milliard år siden var solen omgivet af en varm sky af donutformet snavs. De stjernelige elementer drejede sig om vores nyfødte sol, afkølet og - gennem årene - fusionerede sammen i en proces, som vi ikke fuldt ud forstår. Først i klumper, derefter i planetesimaler, derefter i planeter. Disse faste stoffer var stive og kolliderede, fordampede og dukkede ofte op igen. Det var i denne utroligt hårde stjernebillard, Jorden og Månen blev smedet.
For at få den måne, vi har i dag, med dens størrelse, rotation og den hastighed, hvormed den bevæger sig væk fra Jorden, siger vores bedste computermodeller, at uanset hvad Jorden kolliderer med, må det være noget på størrelse med Mars. Noget mere eller mindre ville allerede producere et system med meget større vinkelmoment, end vi observerer. Et større projektil ville også kaste for meget jern i Jordens bane og producere en måne, der er rigere på jern, end vi observerer.
De første geokemiske undersøgelser af troctolite 76536 og andre sten understøttede denne historie. De viste, at måneklodser måske er født i et månemorthav af magma, som igen kunne fremstå ved en kæmpe kollision. Troctolite flydede i det smeltede hav som et isbjerge i Antarktis. Baseret på disse fysiske begrænsninger besluttede forskere, at Månen var lavet af Theias rester. Men der er et problem.
Lad os vende tilbage til det unge solsystem. Efterhånden som de faste verdener kolliderede og fordampede, blandede deres indhold sig og sluttede sig i separate regioner. Tættere på solen, hvor det var varmere, var det lettere med de lettere elementer at varme op og undslippe, hvilket efterlod et overskud af tunge isotoper (variationer af elementer med ekstra neutroner). Længere fra solen var klipperne i stand til at holde mere vand, og der var stadig lettere isotoper. Derfor kan en videnskabsmand undersøge en blanding af isotoper for at bestemme i hvilken del af solsystemet den optrådte, ligesom en accent forråder en persons hjemland.
Disse forskelle er så udtalt, at de bruges til at klassificere planeter og typer af meteoritter. Mars er så forskellig fra Jorden, for eksempel at dens meteoritter kan identificeres ved blot at måle forholdet mellem tre forskellige iltisotoper.
I 2001 undersøgte schweiziske videnskabsmænd troctolit 76536 og andre måneprøver ved hjælp af avancerede massespektrometri-teknikker. Det viste sig, at deres iltisotoper ikke kan skelnes fra dem på Jorden. Geokemikere har siden undersøgt titan, wolfram, chrom, rubidium, kalium og andre ikke-så almindelige metaller på Jorden - og de lignede alle stort set det samme.
Dette er dårlige nyheder for Teia. Hvis Mars er så forskellig fra Jorden, skal Theia - og derfor månen - også være anderledes. Hvis de er ens, betyder det, at månen skulle have dannet sig fra smeltede jordstykker. Det viser sig, at de klipper, der er opsamlet af Apollo, direkte vil være i modstrid med, hvad fysik insisterer på.
"Den kanoniske model er i alvorlig krise," siger Sarah Stewart, en planetvidenskabsmand ved University of California, Davis. "Hun er ikke blevet dræbt endnu, men hendes nuværende status er, at hun ikke fungerer."
Dampmåne
Stewart har forsøgt at genoverveje de fysiske begrænsninger af dette problem - behovet for en bestemt størrelse, der bevæger sig i en bestemt hastighed - på baggrund af nyt geokemisk bevis. I 2012 foreslog hun og Matiya Zhuk, nu på SETI-instituttet, en ny fysisk model til dannelsen af månen. De erklærede, at den unge jord var en spinding dervish, hvis dag varede to til tre timer, da den blev ramt af Theia. Kollisionen producerede en disk omkring Jorden - som Saturns ring - men den varede kun 24 timer. I sidste ende afkøles disken og størkner for at danne månen.
Supercomputere er ikke magtfulde nok til fuldt ud at simulere denne proces, men de har vist, at et projektil, der går ned i en så hurtigt roterende verden, kan skære nok Jorden, fuldstændigt ødelægge Theia og skrabe nok hud fra begge til at skabe en måne og jord med de samme isotopforhold. Som en pottemager på et keramikrehjul.
For at den hurtigt roterende jordforklaring er korrekt, skal der dog være noget andet, der bremser planetens rotationshastighed ned til sin nuværende tilstand. I deres papir fra 2012 argumenterede Stewart og Chuck for, at for visse orbital-resonante interaktioner, skulle Jorden have overført vinkelmomentum til solen. Senere foreslog Jack Wisdom fra Massachusetts Institute of Technology adskillige alternative scenarier til udtræk af vinkelmoment fra Earth-Moon-systemet.
Ingen af forklaringerne var imidlertid tilfredsstillende. 2012-modellerne har aldrig været i stand til at forklare Månens bane eller kemi, siger Stewart. Og så, sidste år, præsenterede Simon Locke, en Harvard-kandidat og Stuart-studerende på det tidspunkt, en opdateret model, der antydede en tidligere uset planetarisk struktur.
Efter hans mening fordampede hvert stykke af Jorden og Teia og dannede en opsvulmet, hævet sky i form af en tyk donut. Skyen drejede så hurtigt, at den nåede et punkt kaldet co-rotationsgrænsen. Ved denne ydre kant af skyen cirkulerede den fordampede klippe så hurtigt, at skyen fik en ny struktur med en tyk skive, der kredsede om det indre område. Det er vigtigt, at disken ikke blev adskilt fra det centrale område på samme måde som Saturns ringe er.
Betingelserne i denne struktur er ubeskrivelige helvede; der er ingen overflade, i stedet for skyer af smeltet sten, hvor hvert område af skyen danner regndråber af smeltet sten. Månene voksede inde i denne damp, siger Locke, inden dampen omsider blev afkølet og efterlod Earth-Moon-systemet.
I betragtning af strukturens usædvanlige egenskaber mente Locke og Stewart, at den fortjente et nyt navn. De prøvede adskillige versioner, før de ankom til "synestia", der bruger det græske præfiks "synd", der betyder "sammen", og gudinden Hestia, der repræsenterer hjem, ildsted og arkitektur. Dette ord betyder "knyttet struktur", siger Stewart.
”Disse kroppe er ikke det, du synes. Og de ser ikke ud, som du troede, de ville se ud."
I maj offentliggjorde Locke og Stewart et papir om synestesiens fysik; deres arbejde med månens synestesi er stadig ikke afventet. De præsenterede det på en planetkonference og sagde, at deres kolleger var interesserede, men er næppe enige i ideen. Måske fordi synesty forbliver bare en idé; i modsætning til ringede planeter, der er mange i solsystemet, og protoplanetære diske, som er mange i universet, har ingen nogensinde set en eneste.
Men det er en sjov måde at forklare vores månes særegenheder, når vores modeller ikke ser ud til at fungere.
Ti måner
Blandt solsystemets naturlige satellitter kan jordens måne være den mest fantastiske på grund af dens ensomhed. Kviksølv og Venus har ikke naturlige satellitter, delvis på grund af deres nærhed til solen, hvis gravitationseffekt gør satelliternes baner ustabile. Mars har små Phobos og Deimos, som nogle mener er fanget af asteroider; andre taler for store kroppe, der falder til Mars. Gasgiganterne har mange satellitter, både hårde og bløde.
I modsætning til disse satellitter, skiller Jordsatellitten også ud for sin størrelse og den fysiske stress, den bærer. Månen udgør mindre end 1% af jorden efter masse, og den samlede masse af satellitterne på de ydre planeter er mindre end 1/10 procent af deres forældre. Endnu vigtigere er, at Månen tegner sig for 80% af vinkelmomentet i Jordsystemet -
Måne. Med andre ord er Månen ansvarlig for 80% af bevægelsen af systemet som helhed. For de ydre planeter er denne værdi mindre end 1%.
Måske bar Luna ikke altid al denne byrde. Satellitens ansigt viser tegn på kraftig bombning; hvorfor skulle vi så antage, at kun et slag støbte månen ud af jorden? Månen kan have dannet sig i løbet af mange sammenstød, ifølge Raluka Rufu, planetvidenskabsmand ved Weizman Research Institute i Israel.
I et papir, der blev offentliggjort sidste vinter, argumenterede hun for, at Jordens satellit muligvis ikke var original. I stedet blev det en samling af tusinder af stykker - mindst ti, baseret på hendes beregninger. Projektilerne fløj i forskellige vinkler og i forskellige hastigheder til Jorden og dannede skiver, der blev fusioneret til "måneskidt" og til sidst blændede den måne, vi kender i dag.
Planetforskere bemærkede sit arbejde. Robin Canup, en måneforsker ved Southwest Research Institute og en ekspert på teorier om månedannelse, siger teorien er værd at overveje. Imidlertid er der behov for mere forskning. Rufu er ikke sikker på, om affaldet bevægede sig i samme retning, ligesom månen konstant kigger i samme retning. I bekræftende fald, hvordan kunne de overhovedet have fusioneret? Dette gjenstår at se.
I mellemtiden har andre henvendt sig til en anden forklaring på lighederne mellem Jorden og Månen, hvilket kunne have et meget simpelt svar. Fra synestier til månebælter, nye fysikmodeller - og ny fysik - kan være kontroversielle. Måske ligner månen kun jorden, fordi Theia var ens.
Samme
Månen er ikke den eneste "jordiske" ting i solsystemet. Klipper som troctolite 76536 har det samme ilt-isotopforhold som terrestriske klipper samt grupper af asteroider - enstatitekondrit. Oxyotomerne af disse asteroider ligner dem på Jorden, siger Miriam Telus, en kosmochemist, der studerer meteoritter ved Carnegie-institutionen i Washington.”Et af argumenterne er, at de dannede sig i varme områder på disken, der kunne være tættere på solen,” siger hun. De kan have dannet sig nær Jorden.
Nogle af disse klipper samledes for at danne jorden; andre dannede Theia. Enstatitkondriter er restarter, der aldrig er blevet samlet eller vokset store nok til at danne mantler, kerner og fuldt ud dannede planeter.
I januar sagde Nicholas Daufas, en geofysiker ved University of Chicago, at de fleste af klipperne, der blev Jorden, var meteoritter af enstatitype. Han argumenterede for, at alt, der dannede sig i en region, ville blive indsamlet fra dem. Planetisk konstruktion fandt sted med de samme blandede materialer, som vi nu finder på Jorden og Månen; de ser ens ud, fordi de er ens. Det gigantiske legeme, der dannede månen, havde sandsynligvis en isotopisk sammensætning, der ligner Jordens.
David Stevenson, en planetarisk videnskabsinstitutt for Californien, der har studeret månens oprindelse siden Theias hypotese blev præsenteret i 1974, siger, at han betragter dette arbejde som det vigtigste bidrag til kontroversen det seneste år. Fordi det fokuserer på et problem, som geokemister har forsøgt at løse i årtier.
”Dette er en smart historie om, hvordan de forskellige elementer, der gør det til jorden, skal ses,” siger Stevenson.
Men ikke alle er enige. Der er stadig spørgsmål om de isotopiske forhold mellem elementer som wolfram, bemærker Stewart. Wolfram-182 stammer fra hafnium-182, så forholdet mellem wolfram og hafnium fungerer som et ur for at bestemme alderen på en bestemt klippe. Hvis en sten har mere wolfram-182 end en anden, kan du med sikkerhed sige, at den wolframrige klippe dannet tidligere. Men de mest nøjagtige målinger viser, at forholdet mellem wolfram og hafnium er de samme for Jorden og Månen. To organer måtte være under særlige betingelser for, at dette kunne ske.
Baseret på materialer fra Quanta
Ilya Khel