De maan werd geboren in de botsing van een lichaam ter grootte van Mars en de vroege aarde, maar verder is veel van de wereld die we elke nacht in onze lucht zien nog steeds een mysterie. Na 61 missies, waaronder zes astronautenbezoeken die monsters van maanrotsen verzamelden, blijven er nog veel vragen over, waaronder hoeveel van de maan wordt gemaakt van de overblijfselen van die verloren planeet, en hoeveel werd er van de aarde gestolen? Het beantwoorden van deze vragen kan nieuwe inzichten bieden in de evolutie van beide hemellichamen.
gerelateerde inhoud
- Dead Star Shredding a Rocky Body biedt een voorproefje van het lot van de aarde
- De aarde maakt de maan van binnen warm en zacht
Nu hebben wetenschappers in Frankrijk en Israël bewijs gevonden dat het kleinere lichaam dat in de proto-aarde is geslagen waarschijnlijk van soortgelijke dingen is gemaakt als onze thuiswereld. Ook, volgens hun computermodellen, kan de huidige samenstelling van maanmateriaal het beste worden uitgelegd als er ooit iets in de buurt van de aarde is ontstaan. Twee aanvullende studies suggereren dat beide lichamen vervolgens een fineer van extra materiaal opbouwden, terwijl kleinere protoplaneten het jonge systeem bleven bombarderen, maar de Aarde pakte veel meer van deze latere coating op.
Volgens de 'gigantische impacthypothese' vormde de maan ongeveer 4, 5 miljard jaar geleden, toen een planeetachtig object over een tiende van de huidige massa van de aarde op onze planeet sloeg. Simulaties en recente studies van maanrotsen suggereren dat de maan meestal moet worden gemaakt van de overblijfselen van het botslichaam, bijgenaamd Theia. Dit zou verklaren waarom de maan lijkt te zijn gemaakt van materiaal dat veel lijkt op de aardmantel, zoals te zien in rotsmonsters en minerale kaarten.
Het probleem is dat planeten vaak verschillende composities hebben. Mars, Mercurius en grote asteroïden zoals Vesta hebben allemaal enigszins verschillende verhoudingen van verschillende elementen. Als Theia ergens anders in het zonnestelsel werd gevormd, zou de samenstelling ervan nogal anders moeten zijn dan die van de aarde, en zou de bulkcompositie van de maan er niet zo uit moeten zien als de aardmantel.
Om het probleem op te lossen, hebben Alessandra Mastrobuono-Battisti en Hagai Perets van het Israel Institute of Technology gegevens geanalyseerd van simulaties van 40 kunstmatige zonnestelsels, waarbij meer computerkracht werd toegepast dan in eerder werk is gebruikt. Het model liet de bekende planeten en een hypothetisch aantal planetesimals groeien en liet ze vervolgens los in een spel van kosmisch biljart.
De simulaties gaan ervan uit dat planeten die verder van de zon zijn geboren, doorgaans hogere relatieve hoeveelheden zuurstofisotopen hebben, gebaseerd op de waargenomen chemische mix op aarde, de maan en Mars. Dat betekent dat alle planetesimalen die in de buurt van de aarde voortkomen vergelijkbare chemische sporen moeten hebben. "Als ze in dezelfde buurt wonen, worden ze gemaakt van ongeveer hetzelfde materiaal", zegt Perets.
Het team ontdekte dat veel - 20 tot 40 procent - grote botsingen gepaard gingen met botsingen tussen lichamen die zich op dezelfde afstand van de zon vormden en dus een vergelijkbare make-up hadden. Deze week beschreven in de natuur, ondersteunt het werk het intuïtieve idee dat het minder waarschijnlijk is dat iets je zal binnenvaren en je van ver zal raken, en het helpt de bulksamenstelling van de maan aanzienlijk te verklaren.
Tot nu toe zo goed, maar dat verklaart niet alles. Er is nog steeds een slepende puzzel gekoppeld aan de overvloed van het element wolfraam. Dit siderofiele, of ijzerminnende element zou na verloop van tijd naar de kernen van planeten moeten zinken, waardoor de overvloed ervan veel variabeler wordt in verschillende lichamen, zelfs als ze zich dicht bij elkaar vormen. Dat komt omdat lichamen van verschillende grootte kernen vormen met verschillende snelheden. Hoewel de impact iets zou vermengen, zou het meeste wolfraamrijke mantelmateriaal van Theia in een baan om de aarde zijn gegooid en in de maan zijn opgenomen, dus de hoeveelheid wolfraam op aarde en de maan zou heel anders moeten zijn.
In twee onafhankelijke onderzoeken die ook in de natuur verschijnen, onderzochten Thomas Kruijer aan de Universiteit van Münster in Duitsland en Mathieu Touboul aan de Universiteit van Lyon in Frankrijk de verhouding van twee wolfraamisotopen - wolfraam-184 en wolfraam-182 - in maanrotsen en op aarde Als geheel. De maanrotsen hebben iets meer wolfraam-182 dan de aarde, melden de teams.
Dit is intrigerend, omdat die specifieke isotoop van wolfraam afkomstig is van het radioactieve verval van een isotoop van het element hafnium. De halfwaardetijd is kort, slechts ongeveer 9 miljoen jaar. Dus terwijl ijzerhoudend wolfraam de neiging heeft om naar de kern te zinken, blijft de hafniumisotoop dichter bij het oppervlak en verandert na verloop van tijd in wolfraam-182. Dat laat een overmaat wolfraam-182 in de mantel van een planeet achter tegenover de hoeveelheid wolfraam-184 en andere natuurlijke isotopen.
Het verschil tussen de aarde en de maan is relatief klein: de twee studies vinden het op het niveau van 20 tot 27 delen per miljoen. Maar zelfs die kleine verschuiving zou veel chemische afstemming vereisen, zegt Kruijer, waardoor het onwaarschijnlijk is dat het gewoon toeval was. "Het variëren van het wolfraam met slechts een procent of zo heeft een dramatisch effect", zegt hij. "De enige oplossing is als de mantel van proto-Earth dezelfde wolfraam-182 inhoud had als Theia, en de kern van het botslichaam direct samengevoegd met die van de Aarde."
Dat is echter niet waarschijnlijk. Hoewel veel van Theia's kern, zwaarder dan zijn mantel, als onderdeel van de aarde zal blijven, zal de mantel zich vermengen met die van de aarde terwijl deze in een baan om de aarde wordt geslingerd. Er vindt meer menging plaats naarmate de maan groeit. Het aandeel van Theia's kern- en mantelmateriaal dat in de maan wordt omgezet, is willekeurige kans, maar er moest op zijn minst wat kernmateriaal zijn geweest, zegt Kruijer. Het team van Touboul kwam tot een vergelijkbare conclusie: als de verschillen in wolfraamovervloed te wijten waren aan willekeurige vermenging, aangezien Theia's ingewanden rondslingeren met die van de Aarde, zouden de planeet en de maan nog meer moeten verschillen dan ze zijn.
De eenvoudigste oplossing lijkt de hypothese van de 'late fineer' te zijn, die suggereert dat de aarde en de proto-maan zijn begonnen met vergelijkbare wolfraamisotopenverhoudingen. De aarde, die groter en massiever is, zou na de impact meer planetesimalen blijven aantrekken en nieuw materiaal aan de mantel toevoegen. Het fineer van die planetesimals zou meer wolfraam-184 hebben gehad ten opzichte van wolfraam-182, terwijl de maan de verhouding zou hebben behouden die dateerde van de impact.
"Dit lijkt op solide gegevens", zegt Fréderic Moynier, een cosmochemist en astrofysicus bij het Institut de Physique du Globe de Paris, via e-mail. "Het past bij de huidige theorie van laat fineer, die eenvoudig is gebaseerd op de elementaire overvloed van de siderofiele elementen (waaronder wolfraam): er zijn gewoon te veel siderofiele elementen in de mantel van de huidige aarde (ze zouden allemaal in de kern moeten zitten) en daarom moeten ze na kernvorming via meteorietinslagen naar de aarde zijn gebracht. "
Een mysterie blijft: om de proto-maan te laten overeenkomen met de wolfraamverhouding van de aarde, moeten Theia en de aarde zijn begonnen met zeer vergelijkbare wolfraam-overvloed. Het oplossen van die puzzel zal het werk zijn van toekomstige planetaire studies, maar voor nu begint het verhaal van de maanoorsprong er wat duidelijker uit te zien.
