Milžiniško smūgio hipotezė: Mėnulio susidarymas ir įrodymai
Milžiniško smūgio hipotezė: Mėnulio susidarymas, mėginių izotopai, branduolio ir volatilių trūkumas — išsamus įrodymų ir neišspręstų klausimų apžvalga.
Pagal milžiniško smūgio hipotezę Mėnulis susidarė iš jaunos Žemės ir Marso dydžio protoplanetos susidūrimo nuolaužų. Tai yra daugumos planetologų ir kosmogenezės specialistų palaikoma Mėnulio susidarymo hipotezė. Hipotezė bando paaiškinti Mėnulio didelę orbitinę energiją, santykinai mažą geležies kiekį ir Žemės–Mėnulio sistemos sukimosi momentą.
Kaip vyko susidūrimas?
Modeliuose jaunąją Žemę susidūrė didelė protoplaneta (kartais vadinama Teja -), smūgis buvo labai energingas: dalis Žemės ir Tejos medžiagos išsisklaidė į orbitą, susidarė „nuolaužų diskas“ aplink Žemę, iš kurio per kelis šimtus ar tūkstančių metų konsolidavosi Mėnulis. Simuliacijos parodė, kad priklausomai nuo susidūrimo kampo ir energijos, galima gauti ir skirtingas Mėnulio mases, chemines sudėtis bei orbitinius parametrus.
Įrodymai, palaikantys hipotezę
- Mėnuliniai mėginiai: Apollo misijų ir mėnulinės meteoritų analizės atskleidė, kad Mėnulio paviršius kadaise buvo išsilydęs — tai paaiškinama ankstyvojo magmos vandenyno egzistavimu, iš kurio kristalizavosi anortozitinė plutoninė plutoninė plutelė (aukštumų plutoniškos plutos susidarymas).
- Mažas geležies branduolys: Mėnulis turi santykinai mažą geležinį branduolį ir mažesnį vidutinį tankį nei Žemė, kas atitinka atsiradimą iš Žemės ir mažesnio, geležingesnio smūginio kūno nuolaužų mišinio.
- Cheminė ir izotopinė informacija: kai kurie elementai ir izotopiniai santykiai Mėnulyje atitinka Žemę, pvz. beveik identiški deguonies izotopų santykiai, kas rodo bendrą kilmę arba intensyvų maišymą po susidūrimo.
- Erdviniai stebėjimai: jaunų žvaigždžių aplinkoje aptikti nuolaužų diskai ir parametriniai požymiai, kurie gali atitikti panašių didelių susidūrimų produktus kitose planetų sistemose.
Problemos ir neišspręsti klausimai
Nors milžiniško smūgio modelis yra plačiai priimtinas, išlieka keletas reikšmingų iššūkių ir neatitikimų:
- Deguonies izotopai: Mėnulio ir Žemės deguonies izotopų santykiai yra praktiškai identiški — tai sunku paaiškinti, jei Mėnulis susidarė iš mišinio, kuriame reikšmingą dalį sudarė kito planetinio kūno (Tejos) medžiaga. Tai veda prie scenarijų, kuriuose po susidūrimo įvyksta intensyvus izotopinės homogenizacijos procesas arba kur Teja turėjo labai panašią sudėtį kaip Žemė.
- Lakieji komponentai ir vanduo: Mėnulyje yra mažiau lakiųjų elementų ir izotopinių požymių, rodančių dehidrataciją ar išgaravimą aukštoje temperatūroje. Tačiau naujesnės analizės rodo kai kurių vandenilio izotopų ir vandens pėdsakus vulkaniniuose stikluose, todėl situacija yra sudėtinga ir rodo dalinį, o ne visišką lakiųjų praradimą.
- Siderofilinių elementų (geležį „traukiančių“) pasiskirstymas: hipotezėje prognozuotų siderofilinių elementų santykiai Mėnulyje ir Žemėje kai kuriais atvejais neatitinka paprastos mišinio prognozės, o tai reikalauja papildomų procesų (pvz., frakcionavimo, diferenciacijos arba išlydytos plutos išsiskyrimo) paaiškinimo.
- Momentas ir energija: susidūrimo modeliai turi atitikti šiandieninį Žemės–Mėnulio sistemos sukimosi momentą. Kai kurie modeliai reikalauja papildomų mechanizmų (pvz., vėlesnis pasipriešinimas su Saulės takeliu, atmosferos sąveikos) arba pradinių sąlygų (greitai besisukanti Žemė), kad viskas sutaptų.
Modelių modifikacijos ir alternatyvos
Norint paaiškinti aukščiau nurodytus neatitikimus, pasiūlyta keli variantai:
- Didelio energijos smūgio / homogenizacijos modeliai: jeigu susidūrimas buvo itin energingas, dalis medžiagos galėjo suskystėti arba ištirpti į garus, o tarp orbitalinio disko ir Žemės paviršiaus galėjo vykti intensyvus maišymasis, paaiškinantis izotopinį panašumą.
- Synestia modelis: hipotetinis laikinai susidarantis toroidinės (žiedinės) formos kūnas — sinestija — kuriame medžiaga cirkuliuoja kaip dalis vėsaus periferinio disko; iš tokio objekto Mėnulis gali kondensuotis, o tai keičia tradicinio disko hipotezės prognozes.
- Daugkartiniai smūgiai: vietoje vieno didelio smūgio gali būti keli mažesni susidūrimai, kurie palaipsniui sukaupė medžiagą, iš kurios susidarė Mėnulis.
Ką toliau gali parodyti tyrimai?
- Detali izotopinė analizė (pvz., W–Hf, Ti, Si izotopai) ir aukšto tikslumo matavimai gali atskleisti nedidelius skirtumus tarp Žemės ir Mėnulio bei leisti nustatyti Tejos indėlį.
- Naujos mėginių grąžinimo misijos (pvz., Artemis programos mėginiai arba planetologiniai gręžiniai giliau nukreipti į Mėnulio plutos gilesnius sluoksnius) padėtų suprasti, kiek išlikę pirminio magmos vandenyno signalų ir kaip buvo paskirstyti lakūs elementai.
- Tolesnės numerinės simuliacijos, geresnės fizikos aprašymas (pvz., fazių perėjimai, garų kondensacija) ir plačiau apimantys pradiniai sąlygų variantai leis patikslinti, kurie scenarijai yra tikėtini.
Apibendrinant: milžiniško smūgio hipotezė yra geriausiai suderinta teorija, paaiškinanti daugumą Mėnulio savybių, tačiau išlieka reikšmingų smulkių neatitikimų bei alternatyvių paaiškinimų, kuriuos sprendžiant reikalingi nauji mėginiai, tolesnės laboratorinės analizės ir išsamesnės skaitmeninės simuliacijos.
Milžiniško smūgio, kuris, kaip manoma, suformavo Mėnulį, menininko nuotrauka
Kontekstas
Santykinai didelis natūralus Žemės palydovas Mėnulis yra unikalus. Per "Apollo" programą į Žemę buvo atgabentos uolienos nuo Mėnulio paviršiaus. Šių uolienų radiometrinis datavimas parodė, kad Mėnulio amžius yra 4527 ± 10 mln. metų, t. y. maždaug 30-55 mln. metų jaunesnis už kitus Saulės sistemos kūnus. Nauji duomenys rodo, kad Mėnulis susiformavo dar vėliau - 4,48 ± 0,02 Ga, arba 70-110 mln. metų po Saulės sistemos pradžios. Kita svarbi ypatybė - palyginti mažas Mėnulio tankis, o tai turi reikšti, kad jis neturi didelio metalinio branduolio, kurį turi kiti Saulės sistemos sausumos kūnai. Mėnulio tūrinė sudėtis labai panaši į Žemės mantijos ir plutos kartu sudėjus, tačiau be Žemės branduolio. Dėl to atsirado milžiniško smūgio hipotezė: idėja, kad Mėnulis susidarė per milžinišką protoŽemės susidūrimą su kita protoplaneta.
Manoma, kad smogėjas, kartais vadinamas Teja, buvo šiek tiek mažesnis už Marso planetą. Teja susidūrė su Žeme apie 4,533 Ga. Modeliai atskleidžia, kad tokio dydžio impaktoriui nedideliu kampu ir palyginti nedideliu greičiu (8-20 km/s arba 5,0-12,4 mylios/s) atsitrenkus į protoŽemę, daug medžiagos iš protoŽemės ir impaktoriaus apsiaustų (ir protaktų) buvo išmesta į kosmosą, kur didžioji jos dalis liko skrieti aplink Žemę. Iš šios medžiagos ilgainiui susidarė Mėnulis.
Tačiau metaliniai smūgiuotojo branduoliai būtų prasiskverbę pro Žemės mantiją ir susijungę su Žemės branduoliu, todėl Mėnulis netektų metalinės medžiagos. Taigi milžiniško smūgio hipotezė paaiškina neįprastą Mėnulio sudėtį. Aplink Žemę skriejanti išmetamoji medžiaga per kelias savaites galėjo susikondensuoti į vieną kūną. Veikiama savo gravitacijos, išmesta medžiaga tapo labiau sferiniu kūnu - Mėnuliu.
Radiometrinis amžius rodo, kad Žemė egzistavo jau mažiausiai 10 mln. metų iki smūgio, t. y. pakankamai laiko, kad galėtų diferencijuotis primityvi Žemės mantija ir branduolys. Tada, kai įvyko smūgis, buvo išmesta tik mantijos medžiaga, o Žemės branduolys, sudarytas iš sunkiųjų elementų, liko nepaliestas.
Pasekmės
Šis smūgis turėjo svarbių pasekmių jaunai Žemei. Jis išlaisvino milžinišką energijos kiekį, todėl Žemė ir Mėnulis visiškai išsilydė. Iš karto po smūgio Žemės mantija intensyviai konvektavo, paviršiuje buvo didelis magmos vandenynas. Pirmoji planetos atmosfera turėjo būti visiškai nuplėšta dėl išsiskyrusio milžiniško energijos kiekio. Taip pat manoma, kad smūgis pakeitė Žemės ašį, dėl to atsirado didelis 23,5° ašinis posvyris, kuris lemia Žemės metų laikus (pagal paprastą, idealų planetų kilmės modelį ašinis posvyris būtų 0°, o metų laikai nebūtų atpažįstami). Tai taip pat galėjo pagreitinti Žemės sukimąsi.
Naujausi įrodymai
Atlikus "Apollo" astronautų atgabentų Mėnulio uolienų analizę paaiškėjo, kad jose yra Teijos pėdsakų. Tyrėjai teigia, kad tai patvirtina teoriją, jog Mėnulis susidarė dėl kataklizminio susidūrimo. Kai kurie mokslininkai stebisi, kad skirtumas tarp Mėnulio ir Žemės uolienose rastos Teijos medžiagos yra toks mažas.
Klausimai ir atsakymai
K: Kas yra milžiniško poveikio hipotezė?
Atsakymas: Pagal milžiniško smūgio hipotezę Mėnulis susidarė iš jaunos Žemės ir Marso dydžio protoplanetos susidūrimo nuolaužų.
K: Kokie yra milžiniško smūgio hipotezės įrodymai?
A: Šią hipotezę patvirtina Mėnulio mėginiai, iš kurių matyti, kad Mėnulio paviršius kadaise buvo išsilydęs, akivaizdžiai palyginti mažas geležinis Mėnulio branduolys ir mažesnis tankis nei Žemės, taip pat įrodymai apie panašius susidūrimus kitose žvaigždžių sistemose (dėl kurių susidaro "nuolaužų diskai").
Klausimas: Kaip vadinasi susidūręs kūnas milžiniško smūgio hipotezėje?
Atsakymas: Susidūręs kūnas kartais vadinamas Teja pagal mitinį graikų Titaną, kuris buvo Mėnulio deivės Selenės motina.
K: Kokie klausimai, susiję su milžiniško smūgio hipoteze, lieka neatsakyti?
A: Neatsakyti šios hipotezės klausimai yra šie: Mėnulio deguonies izotopų santykis iš esmės yra toks pat kaip ir Žemėje, nėra jokių įrodymų, kad prie to prisidėjo kitas Saulės kūnas, Mėnulio mėginiuose nėra numatytų lakiųjų elementų, geležies oksido ar siderofilinių elementų (cheminių elementų, kurie jungiasi su geležimi) santykio ir nėra įrodymų, kad Žemėje kada nors buvo magmos vandenynas, apie kurį kalbama šioje hipotezėje.
Klausimas: Kokia mokslinė hipotezė apie Mėnulio susidarymą yra priimtiniausia?
A: Labiausiai paplitusi mokslinė Mėnulio susidarymo hipotezė yra milžiniško smūgio hipotezė.
K: Koks yra Mėnulio tankis, palyginti su Žeme?
Atsakymas: Mėnulio tankis mažesnis nei Žemės.
K: Koks mitinis graikų titanas siejamas su Mėnuliu pagal milžiniško smūgio hipotezę?
A: Pagal milžiniško smūgio hipotezę susidūręs kūnas kartais vadinamas Teja - pagal mitinį graikų Titaną, kuris buvo Mėnulio deivės Selenės motina.
Ieškoti