Kiedy i jak powstał Księżyc?

Nowe badania oferują kontrastujące ze sobą scenariusze powstania Księżyca. Jedno z nich opowiada się za jednym wielkim uderzeniem na początku historii Układu Słonecznego; drugie przewiduje szereg mniejszych uderzeń, które z czasem złożyły się na Księżyc; a trzecie sugeruje, że w procesie tym brała udział woda.

Zważywszy na bogactwo dostępnych próbek księżycowych i możliwości nowoczesnych analiz laboratoryjnych, można by pomyśleć, że do tej pory geochemicy powinni już dokładnie ustalić, jak uformował się Księżyc. Ale tak nie jest – w rzeczywistości wciąż toczy się wiele debat na temat tego, jak uformowała się Ziemia.

Podstawowy problem: około 30 lat temu dynamicy wykazali, że ciało o masie zbliżonej do masy Marsa mogło zadać Ziemi cios i wyrzucić na orbitę wystarczająco dużo odłamków, by zebrać się w obiekt wielkości Księżyca. W praktycznie wszystkich tych symulacjach większość tego, co znalazło się na Księżycu, pochodziło z impaktora, a nie z Ziemi.

Ale próbki księżycowe z misji Apollo (i Luna), nie wspominając o księżycowych meteorytach, pokazują, że Księżyc i Ziemia mają bardzo podobny skład. Oprócz braku żelaza i skrajnego braku wody, skały księżycowe odpowiadają ziemskim stosunkom izotopowym dla geochemicznie diagnostycznych pierwiastków: tytanu, wapnia, krzemu i (zwłaszcza) tlenu i wolframu. To naprawdę stawia dynamistów w narożniku – tylko w rzadkich przypadkach, 1% lub 2% przypadków, ich symulacje dają Księżyc o składzie zbliżonym do ziemskiego. Istnieje również problem dostrojenia zderzenia tak, aby uzyskać moment pędu obecnego układu Ziemia-Księżyc.

Pisałem o możliwych rozwiązaniach tych problemów (a może „conundra”?) tutaj i tutaj, ale żaden pomysł nie spełnia wszystkich kryteriów. Można sobie wyobrazić, że gigantyczny impaktor i proto-Ziemia miały niemal identyczny skład – ale statystycznie i intuicyjnie wydaje się to mało prawdopodobne.

W Nature Geoscience z 9 stycznia izraelscy badacze Raluca Rufu, Oded Aharonson i Hagai Perets twierdzą, że koncepcja jednego gigantycznego impaktu jest błędna. Zamiast tego proponują, że Ziemia przeżyła dziesiątki mniejszych (ale wciąż silnych) zderzeń z obiektami o masie od 1% do 10% jej masy, z których każde wyrzuciło odłamki do orbitującego dysku. Pierścienie szybko zwinęły się w księżyce, a interakcje pływowe z młodą, w większości stopioną Ziemią wypchnęły każdy z nich na zewnątrz. Z czasem skumulowały się one w Księżyc.

Takie podejście daje skład Księżyca, który jest amalgamatem wielu składów, co łagodzi nieugięte ograniczenia izotopowe. Najbardziej podobne do ziemskich wkłady pochodziły z niemal czołowych kolizji, które wwierciły się głęboko w płaszcz naszej planety. Kilka uderzających ciosów późno w procesie mogło zmienić moment pędu systemu, aby dopasować go do tego, co istnieje teraz.

Jak zauważa Gareth Collins (Imperial College, Londyn) w towarzyszącym newsie & Perspektywy, „Niskoenergetyczne uderzenia tworzące księżyc pozostawiłyby części Ziemi bez szwanku. Odrębne, ziemskie zbiorniki geochemiczne mogły zatem przetrwać formowanie się Księżyca.” I rzeczywiście, naukowcy zidentyfikowali fragmenty płaszcza Ziemi, które są niedopasowane składem do reszty naszej planety.

Making the Moon: Powolne czy szybkie?

Składanie fragmentaryczne przewidziane przez izraelski zespół zajęłoby dużo czasu, być może nawet 100 milionów lat – i to otwiera kolejny aspekt debaty na temat formowania się Księżyca. Niektórzy naukowcy zajmujący się badaniem planet rzeczywiście twierdzili, głównie na podstawie geochemicznych podstaw, że Księżyc mógł powstać 150-200 milionów lat po powstaniu Układu Słonecznego. Inni twierdzą, że pojawił się on znacznie wcześniej, w ciągu kilkudziesięciu milionów lat.

Inna nowa analiza, opublikowana 11 stycznia w Science Advances, utrzymuje, że Księżyc zebrał się w pośpiechu i w większości zestalił się 4,51 miliarda lat temu, lub 60 milionów lat po narodzinach Układu Słonecznego. Dowody, mówią Mélanie Barboni (Uniwersytet Kalifornijski w Los Angeles) i sześciu kolegów, znajdują się w ośmiu maleńkich ziarnach minerału cyrkonu (ZrSiO4), zebranych przez astronautów Apollo 14, w których znaleźli ślady uranu, ołowiu i hafnu używanego do izotopowego datowania wieku.

Kilka lat temu inna grupa badawcza przeanalizowała te same ziarna, i również wyszła z wczesnym wiekiem formacji. Ale ten wynik miał szerokie niepewności, z powodu użytych technik. Zespół Barboniego powtórzył datowanie wiekowe, dokładnie mierząc izotopy ołowiu, które powstały w wyniku rozpadu radioaktywnego uranu-235 i -238, a także oceniając rozpad lutetu do hafnu. Wreszcie, naukowcy skorygowali również ekspozycję próbek księżycowych na promieniowanie kosmiczne, które może wpływać na stosunek izotopów. Uważają, że uzyskany wiek 4,51 miliarda lat jest obarczony niepewnością nie większą niż 10 milionów lat – i że Księżyc może być w rzeczywistości starszy.

Przede wszystkim, ziarna cyrkonu z Apollo 14 prawdopodobnie wykrystalizowały się z głębokiego księżycowego oceanu magmy (LMO), który istniał zaraz po tym, jak Księżyc się zebrał. Stałoby się tak, gdyby Księżyc zebrał się jako gorący gruz po pojedynczym, katastrofalnym zderzeniu z Ziemią – ale jest to mniej prawdopodobne, gdyby dziesiątki małych, schłodzonych kulek księżycowych skleiły się w jedną całość.

Rzucanie wody na problem

Jakby to, jak i kiedy uformował się Księżyc nie było wystarczająco skomplikowane, trzecia nowa analiza dowodzi, że – pomimo swojej dzisiejszej skrajnej suchości – Księżyc prawdopodobnie zawierał dużo wody, gdy się formował. W tym samym numerze Nature Geoscience, Yanhao Lin (Vrije Universiteit Amsterdam) i trzech innych autorów opisują swoje eksperymentalne próby naśladowania sposobu, w jaki magmowy ocean Księżyca zestalił się. Minerały o mniejszej gęstości uniosłyby się na powierzchnię, tworząc skorupę.

Odkryli oni, że zestaw minerałów znalezionych obecnie w skorupie księżycowej – w połączeniu z jej grubością – przemawia za tym, że woda była częścią mieszaniny w stężeniu od 270 do 1650 ppm. To może nie wydawać się dużo – ale jeśli okaże się prawdą, będzie to miało znaczące implikacje.

„Mokry początek Księżyca, w połączeniu z silnymi podobieństwami pomiędzy składem Księżyca a składem krzemianowej Ziemi”, konkluduje zespół Lin’a, „sugeruje, że równie wysokie stężenia wody były obecne na Ziemi w czasie wydarzenia formującego Księżyc.”

Raluca Rufu et al. „A Multiple-Impact Origin for the Moon.” Nature Geoscience. January 9, 2017.

Gareth S. Collins. „Punch Combo czy Knock-out Blow?” Nature Geoscience. January 9, 2017.

Mélanie Barboni et al. „Early Formation of the Moon 4.51 Billion Years Ago.” Science Advances. January 11, 2017.

Yanhao Lin et al. „Evidence for an Early Wet Moon from Experimental Crystallization of the Lunar Magma Ocean.” Nature Geoscience. January 9, 2017.

Zastanów się nad prawdziwym pochodzeniem Księżyca, trzymając go w rękach. Wybierz spośród standardowych globusów księżycowych firmy S&T lub naszych topograficznych globusów księżycowych.