Site pictogram Astroblogs

Het ontstaan van de maan wordt een steeds groter mysterie

Credit: WikiImages/Pixabay.

De maan is meer dan alleen een bekend gezicht boven ons hoofd. Het bepaalt de condities hier op aarde. De maan is groot genoeg om de rotatie van onze planeet te stabiliseren, waardoor de poolas niet meer dan een paar graden kan variëren. Zonder dit effect zou de axiale variatie van de aarde met tientallen graden kunnen variëren, hetgeen zou leiden tot een radicaal verschillend klimaat.Het bepalen hoe de maan is ontstaan is van centraal van belang voor ons begrip van de aarde én voor ons begrip van het ontstaan van andere planeten. Sinds de jaren ’80 zijn de wetenschappelijke onderzoeken naar de herkomst van de maan vooral gericht op de “grote inslag theorie“. Deze theorie stelt dat de maan ontstaan is uit de brokstukken van een gigantische botsing tussen de aarde en een andere planeet. Dit soort massale botsingen worden geacht algemeen te zijn geweest in het jonge zonnestelsel.We begrijpen nog altijd niet precies hoe zo’n inslag kan leiden tot onze aarde en maan. In de laatste jaren hebben computersimulaties, in combinatie met nieuwe isotopische analyses van maanrotsen, geleid tot alternatieve mechanismen die de eigenschappen van het aarde-maan stelsel kunnen verklaren.De belangrijkste uitdaging ligt in het feit dat een verklaring moet worden gegeven voor het totale impulsmoment dat gevat is in de omloopbaan van de maan en de 24-uurs omwentelingsperiode van onze planeet. Tegelijkertijd moet dit alles ook in overeenstemming zijn met de vele overeenkomsten qua samenstelling tussen de aarde en de maan, evenals met enkele belangrijke verschillen. Geen gemakkelijke opgave dus!De benodigde hoeveelheid impulsmoment kan het resultaat zijn van de botsing met een groot object, maar in dat geval wordt zal een schijf rondom de aarde gevormd worden die vooral zal bestaan uit materiaal van het invallende object. Aangezien de maan uit deze schijf zal ontstaan, zal de samenstelling van de maan flink moeten verschillen van die van de aarde. Het is immers bijzonder onwaarschijnlijk dat twee objecten in het zonnestelsel exact dezelfde samenstelling hebben. Helaas blijkt de samenstelling van de maan exact hetzelfde te zijn als die van de aardmantel.

Meer hetzelfde dan anders
Er zijn echter enkele verschillen in de samenstelling van de aarde en de maan. De aardkern is rijk aan ijzer, dat ongeveer 30 procent van de totale massa van onze planeet uitmaakt. De maan bevat daarentegen veel minder ijzer dan de aarde, namelijk slechts 10 procent van de totale massa. De maan is ook minder rijk aan elementen die gemakkelijk verdampen, zoals kalium, hetgeen suggereert dat deze zijn weggekookt toen de maan ontstaan is uit de hete schijf rondom de aarde.De analyse van maanstenen die zijn meegenomen door de Apollo-missies heeft uitgewezen dat de aardmantel en de maanmantel exact dezelfde verhouding hebben tussen verschillende isotopen van zuurstof. Deze verhouding verschilt enorm van die van Marsmeteorieten én van die van planetoïden. In de laatste jaren zijn de overeenkomsten steeds groter geworden. Het blijkt dat bij de aarde en de maan ook de isotopische verhouding van chroom, titanium, wolfram en silicium niet van elkaar te onderscheiden zijn.

Zwaartekrachtmetingen die zijn verricht door NASA’s Gravity Recovery and Interior Laboratory (GRAIL) hebben gezorgd voor betere schattingen van de dikte van de maankorst en van het aluminiumgehalte. De metingen suggereren dat refractische elementen (metalen met een zeer hoog smelt- en kookpunt) op de maan evenveel voorkomen als op aarde – iets wat als een verrassing kwam. Het was namelijk de verwachting dat de maan naar verhouding veel meer van dit soort hittebestendige materialen zou bevatten!Al deze gegevens samen impliceren dat de maan gevormd moet zijn uit materiaal dat honderd procent afkomstig is geweest van de aarde, óf dat zowel de aardmantel als de maan gevormd zijn uit een identieke mix van materialen. Beide gevallen vereisen bijzondere omstandigheden.InslagmodellenBotsingen die leiden tot lunagenesis worden bestudeerd aan de hand van computersimulaties. Aangezien de hoeveelheid energie die vrijkomt bij zo’n botsing hoog genoeg is om de botsende planeten te smelten en zelfs deels te verdampen, worden drukpunten en faseveranderingen meegenomen in de modellen. Zwaartekrachtinteracties en torsies worden ook meegenomen, aangezien beide planeten bij de botsing ernstig verstoord raken en allerlei materialen de ruimte in slingeren, waaruit uiteindelijk een ring gevormd zal worden. Dat betekent dat materialen uit de mantel en kern gevolgd dienen te worden.Volgens het standaard grote inslagmodel is de maan het gevolg van een langzame inslag onder een kleine hoek van een Marsachtig object (met 10 tot 15 procent de massa van de aarde) op de jonge aarde. Als gevolg van de botsing is de aarde supersnel gaan ronddraaien (met een rotatieperiode van vijf uur) en is de maan heel dicht bij de aarde ontstaan. Zwaartekrachtinteracties en torsies hebben de omloopbaan van de maan doen verwijden, waardoor de aardrotatie is afgeremd tot de huidige waarde van 24 uur. Dit model is in overeenstemming met de massa van de maan, diens gebrek aan ijzer en het impulsmoment van het aarde-maanstelsel.

De meeste chemische eigenschappen zijn lastiger te verklaren. Volgens het grote inslagmodel is de maan gestold uit schijfmateriaal dat voornamelijk afkomstig is uit de mantel van het inslaande object. Het is echter onwaarschijnlijk dat het inslaande object vrijwel dezelfde samenstelling heeft gehad als de jonge aarde. De verhouding tussen zuurstofisotopen verschilt op Mars bijvoorbeeld met een factor 50 van die op aarde. Als het inslaande object evenveel van de aarde heeft verschilt als van Mars, zou dit nog altijd zichtbaar moeten zijn op de maan, zelfs ná¡ de massale botsing.In 2007 is een team van planetaire wetenschappers met een oplossing gekomen die ze elegant equilibrium noemen. Volgens hen zijn de dampen uit de aardmantel én die in de omringende schijf met elkaar gemengd voordat de maan is ontstaan. Er kleven echter nogal wat haken en ogen aan dit model. Het duurt minstens 100 jaar voordat het materiaal uit de aarde en uit de schijf een homogene mix zullen vormen en het is de verwachting dat tegen die tijd de buitendelen van de schijf al begonnen zijn om samen te trekken tot de maan.Het is mogelijk dat de binnendelen van de maan nog altijd de samenstelling van het inslaande object hebben. Als dat zo is, dan zijn hier geen bewijzen voor te vinden in de verzamelde maanstenen (hoewel deze altijd afkomstig zijn van de buitenste paar honderd kilometer). Nog een raadsel is het feit dat vluchtige elementen in de botsingsdamp beter met elkaar zouden moeten mengen dan de refractische elementen. Helaas blijkt de isotopische samenstelling van zowel zuurstof als titanium (bijvoorbeeld) in zowel de aarde als de maan identiek te zijn.

In 2012 zijn een groot aantal alternatieve modellen voorgesteld. Zo zorgt de oblate vorm van de aarde ervoor dat de orientatie van de elliptische omloopbaan van de maan geleidelijk roteert met een periode die steeds groter wordt naarmate de omloopbaan van de maan groter wordt – een proces dat precessie wordt genoemd. Het blijkt dat als de precessieperiode van de maan exact gelijk staat aan de omloopperiode van de aarde rond de zon (oftewel, een jaar dus) de rotatieperiode van de aarde gehalveerd kan worden. Dit kan het gevolg zijn van speciale resonanties met de zon. Met andere worden: de aarde zal steeds langzamer gaan draaien zonder dat de maan alle impulsmoment hoeft weg te nemen. Op die manier zou de inslag van het binnendringende object veel heftiger kunnen zijn geweest, inclusief twee gevallen waarin een schijf kan worden gevormd met dezelfde samenstelling als de aardmantel.Het “snel draaiende aardescenario” draait om de inslag van een object kleiner dan Mars op een aarde dat op dat moment al supersnel rondom z’n as draait (met een dag van slechts 2,5 uur). Deze snelle rotatie zou dan het gevolg zijn van een eerdere massale inslag. Aangezien de aarde ronddraait met een snelheid dat tegen het kritieke punt aanzit (oftewel, met een snelheid dat bijna groot genoeg is om de aarde instabiel te maken), zal het maanvormende object grote delen van de aardmantel te ruimte in blazen, dat vervolgens een schijf zal vormen.Een tweede model is het “halve aardescenario” waarin de maan gevormd wordt uit twee planeten, elk met ongeveer een halve aardemassa. Zowel het planetaire eindproduct (de huidige aarde) als de omringende schijf (de huidige maan) hebben dan ongeveer dezelfde samenstelling. Dit model is simpeler dan de sneldraaiende aarde, aangezien de noodzaak voor een eerdere grote inslag wegvalt. Het vereist wel nog altijd een bijzonder groot invallend object, zodat dit model wellicht minder waarschijnlijk is dan de standaard grote-inslag.

Beide modellen uit 2012 vormen een verklaring voor de vergelijkbare samenstelling van de aarde en de maan op het gebied van zuurstof, chroom en titanium. Om de overeenkomst qua silicium en wolfram te verklaren, elementen die met metalen reageren, vereisen beide modellen dat de ijzerkern van het inslaande object intact blijft naarmate het afdaalt in de aardmantel om te fuseren met de aardkern, zodat interacties tussen metalen en silicaten beperkt blijven.Het blijft echter onzeker of het resonantiemechanisme dat vereist is om de rotatie van de aarde te vertragen een waarschijnlijk proces is, of dat het afhangt van een onwaarschijnlijke samenloop van omstandigheden. Met andere woorden: is het ontstaan van de maan een nog zeldzamere gebeurtenis dan verwacht, of missen we iets?Het blijft verontrustend dat de ‘nieuwe’ onstaansmodellen van de maan afhankelijk zijn van speciale gebeurtenissen die hebben plaatsgehad na de primaire inslag, zoals het wijzigen van de samenstelling van de schijf, of door het verminderen van de rotatiesnelheid van de aarde in het geval van modellen met veel impulsmoment.In de natuur kunnen meerdere gebeurtenissen achter elkaar gebeuren, maar toch proberen we in onze modellen zo veel mogelijk complexiteit te voorkomen. We proberen altijd met de eenvoudigste oplossing te komen, aangezien simpele oplossingen meestal waarschijnlijker zijn. Naarmate het aantal vereiste stappen toeneemt, zal de waarschijnlijkheid van een specifieke reeks gebeurtenissen afnemen. Nieuwe modellen zijn complexer en lijken minder waarschijnlijk dan het oorspronkelijke grote inslagconcept.Een aanwijzing zou gevonden kunnen worden op Venus. De aanname dat het invallende object erg zou verschillen van de aarde is vooral gebasseerd op onze kennis van Mars. We weten echter niets van de isotopische samenstelling van Venus, de planeet die qua massa en dichtheid het meest op de aarde lijkt.  Als zal blijken dat de samenstelling van Venus erg lijkt op die van de aarde, dan zal Mars dus de uitzondering zijn. Het is dan waarschijnlijker dat de samenstelling van het invallende overeenkomt met dat van de aarde, zodat alle bezwaren tegen het standaard grote inslagmodel als sneeuw voor de zon verdwijnen. Bron: Nature‘, ‘

Mobiele versie afsluiten