W podręcznikach czytamy, że Księżyc powstał, gdy w młodą Ziemię uderzył obiekt wielkości Marsa. Nowe dane każą jednak zakwestionować tę teorię, więc uczeni muszą szukać innych wyjaśnień.

13 grudnia 1972 roku astronauta Harrison Schmitt, członek misji Apollo 17, stanął przy księżycowym głazie na Mare Serenitas. „Ciągnie się za nim ślad w górę zbocza”, zawołał do dowódcy Eugene’a Cernana. Najwyraźniej głaz stoczył się w dół. Cernan podszedł, by zebrać próbki.

„Pomyśl, jakby to było stać w tym miejscu, kiedy zaczął się zsuwać”, powiedział.

„Wolę sobie tego nie wyobrażać”, odparł Schmitt.

Astronauci skuli fragmenty głazu. Potem za pomocą grabi Schmitt oczyścił nieco pyłu z powierzchni i zabrał z regolitu skałę nazwaną później troktolitem 76536, zapewniając jej trwałe miejsce w historii.

Owa skała i jej kamienne siostry przyczyniły się do powstania opowieści o początkach Księżyca, powtarzanej później w niezliczonych podręcznikach i na tysiącach wystaw naukowych. Opowieść ta głosi, że Księżyc zrodził się skutek kolizji Ziemi, wówczas jeszcze nie w pełni ukształtowanej, i skalistej planety wielkości Marsa. Planecie nadano imię Thea na cześć mitycznej tytanidy, matki Selene czyli bogini Księżyca. Thea tak mocno wbiła się w proto-Ziemię, że obie planety stopiły się ze sobą. Porozrzucane resztki ostygły i utworzyły srebrzysty glob, towarzyszący nam po dziś dzień.

Jednak współczesne pomiary troktolitu 76536 i innych skał z Księżyca i Marsa podają ową teorię w wątpliwość. W ciągu ostatnich pięciu lat opublikowano wyniki licznych badań, z których wynika, że jej założenia nie pasują do rzekomych dowodów. Jeśli Thea uderzyła w Ziemię a potem z jej fragmentów powstał Księżyc, satelita powinien być zbudowany ze skał charakterystycznych dla planet czy protoplanet w rodzaju Thei. Tymczasem Księżyc nie przypomina ani jej, ani nawet Marsa. Jest natomiast bliźniaczo podobny do Ziemi.

W obliczu tych faktów badacze zaczęli szukać nowych wyjaśnień. Wiele przemawia za najprostszym rozwiązaniem zagadki, choć stwarza ono inne kłopoty jeśli chodzi o wczesny okres istnienia Układu Słonecznego. Niewykluczone, że Thea była po prostu zbudowana z podobnego materiału co Ziemia. Druga hipoteza głosi, że na skutek zderzenia wszystko wymieszało się niczym składniki ciasta. Mogło się tak stać, jeśli planety zderzyły się z gigantyczną energią lub jeśli doszło do serii zderzeń i powstania kilku brył, które później się ze sobą połączyły. Trzecie wyjaśnienie wymaga wyjścia poza obecną wiedzę na temat planet. Powiada, że Ziemia I Księżyc odtańczyły szalony orbitalny taniec, który zasadniczo wpłynął na ich ruch obrotowy oraz na ich późniejsze losy.

Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine

Złe wieści dla Thei

Aby pojąć, co wydarzyło się w najważniejszy dzień w historii Ziemi musimy wiedzieć więcej na temat Układu Słonecznego. Cztery i pół miliarda lat temu Słońce było otoczone gorącą mgławicą przybierającą kształt dysku. Materiał powstały w młodej gwieździe krążył wokół niej, stygł i – czego nadal do końca nie rozumiemy – łączył się, tworząc bryły, planetozymale i wreszcie protoplanety. Wiele razy zderzały się one ze sobą i rozpadały. Podczas tej nieprawdopodobnie brutalnej gry w piekielny bilard ukształtowały się Ziemia i Księżyc.

Według najbardziej wiarygodnych dostępnych modeli komputerowych jeśli Księżyc powstał na skutek zderzenia Ziemi i innej planety, ta druga musiałaby być rozmiaru Marsa. W przeciwnym razie nie zgadzałby się moment pędu. Ponadto gdyby planeta była większa, wyrzuciłaby więcej żelaza na orbitę Ziemi toteż na Księżycu znajdowałoby się więcej tego pierwiastka.

Początkowe badania troktolitu 76536 i innych skał potwierdzały powyższą teorię. Wynikało z nich, że skały księżycowe wzięły swój początek w księżycowym oceanie magmy, który mógł powstać wyłącznie na skutek potężnej kolizji. Troktolit okrzepł na powierzchni niczym kra lodowa na Antarktydzie. Wysnuto więc wniosek, że Księżyc wziął się ze szczątków Thei. Jest jednak pewien szkopuł.

Wróćmy do początków Układu Słonecznego. Skaliste światy zderzały się ze sobą i rozpadały a ich materia się mieszała. Z czasem ukształtował się pewien podział. Bliżej Słońca panowała wyższa temperatura, więc lżejsze pierwiastki nagrzewały się i uciekały, pozostawiając po sobie ciężkie izotopy (czyli odmiany pierwiastków różniące się liczbą neutronów w jądrze). Natomiast ciała niebieskie położone dalej zdołały zachować więcej wody oraz lżejsze izotopy. Dzięki temu uczeni mogą określić, z której części Układu Słonecznego pochodzi dany obiekt – izotopy są niczym akcent języka, zdradzający ojczystą krainę.

Mówimy o różnicach tak znaczących, że na ich podstawie można klasyfikować planety i meteory. Przykładowo, Mars jest pod względem chemicznym bardzo odmienny od Ziemi, toteż pochodzące stamtąd meteoryty da się rozpoznać już choćby dzięki określeniu proporcji trzech izotopów tlenu.

W 2001 roku za pomocą zaawansowanych technik spektrometrycznych szwajcarscy naukowcy dokonali ponownych pomiarów dla troktolitu 76536 i trzydziestu innych skał księżycowych. Okazało się, że izotopy tlenu są identyczne jak w przypadku skał ziemskich. Geochemicy badali również tytan, wolfram, chrom, rubid, potas i inne rzadkie metale z powierzchni Ziemi i Księżyca. Wszystko okazało się bardzo podobne.

To kiepskie wieści dla Thei. Skoro Mars tak bardzo różni się od Ziemi, Thea też powinna być zbudowana z innego materiału. W takim przypadku Księżyc nie przypominałby Ziemi. Skały przywiezione przez załogę Apollo 17  kłócą się z przyjętą teorią.

„Model kanoniczny przeżywa poważny kryzys – mówi Sarah Stewart, astronomka Z University of California, Davis. – Jeszcze dycha, ale zasadniczo przestał działać”.

Księżyc z gazu

Stewart próbowała pogodzić ograniczenia natury fizycznej – odpowiednio duże ciało uczestniczące w kolizji, poruszające się z określoną prędkością – z nowymi danymi geochemicznymi. W 2012 roku wraz z Matiją Ćukiem, obecnie pracującym w SETI Institute, zaproponowała nowy model powstania Księżyca. Zgodnie z nim Ziemia była początkowo niczym wirujący derwisz. Jeden obrót zajmował jej od dwóch do trzech godzin. Potem doszło do zderzenia z Theą. Wokół Ziemi ukształtował się dysk przypominający pierścienie Saturna. Przetrwał mniej więcej dwadzieścia cztery godziny, potem ostygł i zbił się, tworząc Księżyc.

Superkomputery nie mają dość mocy obliczeniowej, by móc przedstawić wyczerpujący model całego tego procesu. Wykazały jednak, że wbicie się ciała w tak szybko obracający się obiekt mogłoby rozrzucić wkoło dostatecznie dużo materiału ziemskiego, unicestwić dużą część Thei i doprowadzić do tego, że z obu planet powstały Księżyc i Ziemia o podobnych proporcjach izotopów. Można to porównać do rzucenia garści mokrej gliny na rozpędzone koło garncarskie.

Jednak aby owa teoria była trafna, musiałoby dojść do zdarzenia, które spowolniło tempo obracania się Ziemi. Stewart i Ćuk przekonywali, że pod warunkiem zajścia pewnych interakcji orbitalno-rezonansowych Ziemia mogłaby oddać moment pędu Słońcu. Jack Wisdom z Massachusetts Institute of Technology przedstawił później inne możliwe scenariusze „spowolnienia” systemu Ziemia-Księżyc.

Żadne z wyjaśnień nie jest jednak w pełni satysfakcjonujące. Model z 2012 roku nie pozwalał wyjaśnić orbity Księżyca ani jego budowy chemicznej, mówi Stewart. Dopiero  w zeszłym roku Simon Lock, student Stewart z Harvarda, zaproponował poprawiony model, oparty na hipotezie nieodkrytej dotąd struktury.

W tej wersji Ziemia i Theia zupełnie wyparowały. Na ich miejsce powstała olbrzymia, gęsta mgławica w kształcie obwarzanka. Obracała się ona tak szybko, że wkrótce osiągnęła tak zwaną granicę korotacji. Na zewnętrznych krańcach mgławicy kawałki skał pędziły z olbrzymią prędkością aż utworzyła się nowa struktura: gruby dysk krążący wokół centralnego punktu. Co najistotniejsze, dysk i ów punkt centralny nie były osobne, inaczej niż w przypadku pierścieni Saturna (i w przypadku poprzednich teorii powstania Księżyca na skutek wielkiego zderzenia).

Niepodobna opisać, jak potworny był to twór. Żadnej powierzchni, tylko mgławica płynnych skał, w której powstał Księżyc. Mgławica z czasem ostygła  i tak oto zrodził się układ Ziemia-Księżyc.

Zdaniem Locka i Stewart owa struktura zasługiwała na nową nazwę ze względu na swój niezwykły charakter. Ostatecznie para uczonych zdecydowała się na słowo „synestia”. Grecki przedrostek „syn” oznacza „razem”. Druga część pochodzi od imienia bogini Hestii, opiekunki ogniska domowego, domu i budownictwa. „Synestia” ma według Stewart oznaczać „strukturę połączoną”.

„Ciała te nie są takie, jak myślimy. Nie wyglądają, jak się nam wydawało”, mówi.

W maju 2017 roku Lock i Stewart opublikowali artykuł na temat fizycznych właściwości synestii. Kolejny artykuł, poświęcony powstaniu Księżyca, czeka na recenzje. Uczeni przedstawili też swą teorię na kilku konferencjach. Inni badacze wydawali się zaintrygowani, lecz nie przekonani do pomysłu. Może dlatego, że synestia to twór ze strefy idei. Znamy planety otoczone pierścieniami, we Wszechświecie nie brakuje też dysków protoplanetarnych, synestii jednak na razie nikt nie widział.

„Mimo to uważam ją za interesująca hipotezę, zdolną wyjaśnić rozmaite cechy Księżyca i wyciągnąć nas z obecnego zastoju, skoro obowiązujący dotychczas model przestał działać”, mówi Lock.

Niech zalśni tysiąc księżyców

Ziemski Księżyc różni się od innych naturalnych satelitów w Układzie Słonecznym, jest bowiem samotny. Merkury i Wenus nie mają swoich księżyców, po części z powodu bliskości Słońca, po części dlatego, że orbity byłyby niestabilne na skutek interakcji grawitacyjnych. Wokół Marsa krążą maleńkie Fobos i Deimos. Jedni twierdzą, że to asteroidy przechwycone przez planetę, zdaniem innych powstały na skutek zderzeń. Z kolei gazowe olbrzymy mają mnóstwo satelitów – lodowych, skalistych, takich i takich.

Harrison Schmitt, pierwszy naukowiec, który został astronautą (misja Apollo 17); źródło: NASA

Nasz Księżyc wyróżnia się też pod względem rozmiaru i roli, jaką odgrywa. Jego masa stanowi 1 procent masy Ziemi. Tymczasem łączna masa satelitów innych planet to niespełna 0,1 procenta. Co istotniejsze, Księżyc odpowiada za 80 procent momentu pędu układu Ziemia-Księżyc. Dla pozostałych planet w Układzie Słonecznym wartość ta wynosi niespełna 1 procent.

Może jednak nie zawsze tak było. Na powierzchni księżyca widać ślady niezliczonych zderzeń. Czemu mamy zakładać, że powstał na skutek pojedynczego zdarzenia? Kto wie, czy nie zawdzięcza istnienia licznym kolizjom, mówi Raluca Rufu, astronomka z Weizmann Institute of Science w Rechowot w Izraelu.

W opublikowanym niedawno artykule Rufu stawia tezę, że Księżyc nie jest oryginalnym satelitą, lecz zbieraniną. Ciała – według symulacji było ich co najmniej dwanaście – uderzające w Ziemię pod różnymi kątami, z różną prędkością tworzyły dyski a następnie bryły. Bryły o różnym wieku łączyły się ze sobą na różne sposoby. Dzieckiem tego jest Księżyc w jego obecnym kształcie.

Astronomowie ciepło przyjęli ową teorię. Robin Canup, badaczka Księżyca z Southwest Reserach Institute uważa ją za godną rozważenia. Potrzeba jednak dalszych badań. Rufu nie ma pewności, czy bryły powstające na skutek zderzeń miały ustalone pozycje na orbicie, podobnie jak sam Księżyc, który zawsze jest zorientowany w tym samym kierunku. Jeśli miały, trudno stwierdzić, co sprawiło, że się połączyły. „Odkrycie tego będzie kolejnym krokiem”, mówi Rufu.

Jest jeszcze inne wyjaśnienie podobieństw między Ziemią i Księżycem, bardzo proste. Model Rufu albo synestia mogą się okazać kompletnie niepotrzebne. Niewykluczone, że Księżyc nie różni się od Ziemi, bo i Thea się od niej nie różniła.

Wszystko to samo

Księżyc nie jest jedynym ciałem podobnym do Ziemi w Układzie Słonecznym. Podobne proporcje izotopów co w troktolicie 76536 i w ziemskich skałach znajdujemy w asteroidach zwanych chondrytami enstatytowymi, mówi Myriam Telus, kosmochemiczka badająca meteoryty w waszyngtońskiej Carnegie Institution i zauważa: „Jedno z wyjaśnień zakłada, że powstały w gorętszych regionach dysku protoplanetarnego bliżej Słońca”. A więc tam, skąd prawdopodobnie wzięła się Ziemia.

Oraz, przypuszczalnie, Thea. Chondryty enstatytowe to natomiast resztki, fragmenty skał, które nigdy nie połączyły się w twory mające płaszcz i jądro.

W styczniu 2017 roku Nicolas Dauphas, geofizyk z University of Chicago ogłosił, że większość skał tworzących Ziemię to niegdysiejsze meteoryty typu enstatytowego. Wszystkie ciała powstałe w tym samym rejonie dysku również musiałyby być podobne. Ziemia i Księżyc wydają się takie same, gdyż są takie same. „Ogromne ciało, które weszło z Ziemią w kolizję, miało najpewniej zbliżony skład izotopowy”, pisał Dauphas.

David Stevenson, astronom z California Institute of Technology, który badał początki Księżyca już kiedy w roku 1974 hipoteza kolizji z Theą ujrzała światło dzienne twierdzi, że artykuł Dauphasa to najcenniejszy wkład w debatę w ostatnim czasie, odnosi się bowiem do kwestii roztrząsanej przez geochemików od dziesięcioleci.

„Przedstawił historię opartą na liczbach, bardzo błyskotliwą, tłumaczącą, jak traktować rozmaite pierwiastki tworzące Ziemię – mówi Stevenson. – Wyprowadza z tego sekwencję powstania naszej planety. W owej sekwencji chondryty enstatytowe grają istotną rolę”.

Nie wszyscy są jednak przekonani. Stewart przypomina o problemie proporcji izotopów pierwiastków w rodzaju wolframu. Izotop 182W jest dzieckiem izotopu hafnu 182Hf, więc proporcja jednego względem drugiego może nam posłużyć za zegar, który pozwala szacować wiek danej skały. Jeśli próbka danej skały ma więcej 182W niż próbki innych skał, można z dużą pewnością stwierdzić, że powstała wcześniej. Tymczasem najbardziej precyzyjne pomiary wykazały, że proporcje wolframu i hafnu na Ziemi i Księżycu są identyczne. „Musiałoby dojść do wyjątkowego zbiegu okoliczności, by dwa ciała wykazywały taką zbieżność pod względem budowy”, przyznaje Dauphas.

Wskazówki z innych światów

Poznanie Księżyca, naszego nieodłącznego towarzysza, naszej srebrzystej siostry, odwiecznego patrona marzycieli i odkrywców, to cel godny sam w sobie. Historia powstania Księżyca i skał w rodzaju troktolitu 76536 może poza tym stanowić rozdział innej, o wiele bardziej epickiej opowieści.

„Widzę tu wstęp do odpowiedzi na ogólniejsze pytanie: co się działo, gdy uformowały się planety skaliste – mówi Stevenson. – Na razie nikt tego dokładnie nie wie”.

Rozwiązaniem może okazać się synestia. Lock i Stewart twierdzą, że w początkowym okresie istnienia Układu Słonecznego do synestii dochodziło wiele razy. Protoplanety zderzały się i stapiały ze sobą. Wiele planet skalistych zaczęło być może życie jako rozdęte mgławice. Zrozumienie synestii dałoby wówczas lepszy obraz ich ewolucji.

Pomocne byłyby dodatkowe próbki z Ziemi i Księżyca (najlepiej z obu płaszczy), by geochemicy zyskali więcej danych. Zdołaliby wówczas stwierdzić, czy tlen znajdujący się głęboko pod powierzchnią Ziemi jest wszędzie taki sam, czy też każdy z jego trzech izotopów grupuje się w różnych rejonach.

„Kiedy mówimy, że Ziemia i Księżyc są niemal identyczne pod względem tych izotopów, przyjmujemy założenie, że wiemy, z czego składa się Ziemia i z czego składa się Księżyc”, podkreśla Stevenson.

Ponadto teorie powstania Układu Słonecznego są nieustannie modyfikowane, często dzięki skomplikowanym symulacjom komputerowym, które pozwalają lepiej stwierdzić, gdzie narodziły się planety i gdzie się przeniosły. Uczeni coraz częściej dochodzą do wniosku, że nie możemy dłużej traktować Marsa jako jedynego punktu odniesienia, gdyż najpewniej powstał w innym rejonie Układu Słonecznego niż Ziemia, enstatyty czy Thea. Stevenson uważa, że Mars nie powinien służyć za „barometr” planet skalistych.

Specjaliści są zgodni: najlepszych odpowiedzi dostarczy Wenus, planeta przypominająca Ziemię, przynajmniej na pozór. Może w młodości miała księżyc. „Gdyby udało się pozyskać fragment skały z Wenus, odpowiedź na pytanie o pochodzenie Księżyca stałaby się prostsza. Niestety, obecnie nikt raczej nie planuje wyprawy”, mówi Lock.

Skoro nie dysponujemy próbkami z Wenus, skoro w żadnym laboratorium nie da się odtworzyć nieprawdopodobnych ciśnień i temperatur typowych dla wielkich zderzeń, uczonym pozostaje opracowywanie nowych modeli i pisanie na nowo historii o narodzinach Księżyca.

Tłumaczenie: Jan Dzierzgowski

Artykuł przedrukowano za zgodą QuantaMagazine.org, redakcyjnie niezależnej publikacji Simons Foundation, której misją jest popularyzowanie wiedzy na temat rozwoju badań w dziedzinie matematyki i fizyki oraz nauk przyrodniczych.