Den 13 december 1972 närmade sig Apollo 17-astronauten Garisson Schmitt en stenblock i Tranquility Sea på månen. "Denna stenblock har sin egen lilla stig som leder rakt till kullen," berättade han sin befälhavare, Eugene Cernan, och noterade var klippan var innan han rullade nerför backen. Cernan tog några prover.
"Föreställ dig hur det skulle ha varit om du hade stått där innan denna stenblock rullade," sa Cernan eftertänksamt. "Jag skulle förmodligen inte göra det bättre," svarade Schmitt.
Astronauterna snidade bitar av månen från stenblocken. Sedan skrapade Schmitt bort den dammiga ytan med en rake och lyfte upp en sten som senare skulle kallas troctolite 76536.
Denna sten och dess stenblock bröder skulle berätta historien om hur vår måne blev. I denna skapelseshistoria, inspelad i otaliga läroböcker och vetenskapsmuseumsverk under de senaste fyrtio åren, smältes månen ur en katastrofal kollision mellan en groddar och en solid, Mars-stor värld. Den andra världen kallades Teia, efter den grekiska gudinnan som födde Selene, månen. Theia kraschade så hårt i jorden att båda världarna smälte. Strömmarna av smält material som kastades ut av Theia kyldes sedan och stelnade och bildade den silviga följeslagaren som vi alla känner till.
Men moderna mätningar av troctolit 76536 och andra stenar från månen och Mars har ifrågasatt denna teori. Under de senaste fem åren har flera studier upptäckt ett problem: den kanoniska hypotesen om jättekollision är baserad på antaganden som inte matchar bevisen. Om Theia träffade jorden och senare bildade månen, måste månen vara gjord av Theias material. Men månen är inte som Theia - eller Mars, för den delen. För själva atomerna ser det nästan ut som jorden.
Inför denna inkonsekvens sökte månforskare nya idéer för att förstå hur månen blev. Den mest uppenbara lösningen kan vara den enklaste, men den ger upphov till andra problem med att förstå det unga solsystemet: kanske Theia bildade månen, men Theia bestod också av ett ämne som är nästan identiskt med jorden. Alternativt blandade kollisionsprocessen allt, homogeniserade de enskilda bitarna och vätskorna i kakan, som sedan skars i delar. I det här fallet måste kollisionen vara extremt kraftfull, eller det måste vara flera av dem. Den tredje förklaringen ifrågasätter vår förståelse av planeterna. Det kan vara så att jorden och månen vi har idag har genomgått konstiga metamorfoser och vilda orbitaldanser som radikalt har förändrat deras rotation och framtid.
Kampanjvideo:
Dåliga nyheter för Teia
För att förstå vad som kunde ha hänt den viktigaste dagen för jorden måste du börja med att förstå solsystemets ungdom. För fyra och en halv miljard år sedan var solen omgiven av ett hett moln av munkformade skräp. Stjärnelementen kretsade kring vår nyfödda sol, kyldes och - med åren - slogs samman i en process som vi inte helt förstår. Först i klumpar, sedan i planetesimaler, sedan i planeter. Dessa fasta ämnen var styva och kolliderade, indunstades och återkom igen. Det var i denna otroligt hårda stjärna biljard som jorden och månen smiddes.
För att få månen vi har idag, med dess storlek, rotation och hastigheten med vilken den rör sig bort från jorden, säger våra bästa datormodeller att oavsett vad jorden kolliderar med måste det vara något på Mars. Allt mer eller mindre skulle redan producera ett system med mycket större vinkelmoment än vi observerar. En större projektil skulle också kasta för mycket järn i jordens bana och producera en mån som är mycket rikare på järn än vi observerar.
De första geokemiska studierna av troctolite 76536 och andra stenar stödde denna historia. De visade att månklipporna måste ha fötts i ett månmorthav av magma, vilket i sin tur kunde uppstå från en jättekollision. Troctolite flöt i det smälta havet som ett isberg i Antarktis. Baserat på dessa fysiska begränsningar beslutade forskare att månen gjordes av Theias rester. Men det är ett problem.
Låt oss gå tillbaka till det unga solsystemet. När de fasta världarna kolliderade och förångades blandades innehållet och slutligen bosatte sig i separata regioner. Närmare solen, där det var varmare, var de lättare elementen mer benägna att värmas upp och fly, vilket lämnade ett överskott av tunga isotoper (variationer av element med extra neutroner). Längre från solen kunde klipporna hålla mer vatten och ljusare isotoper kvar. Därför kan en forskare undersöka en blandning av isotoper för att bestämma i vilken del av solsystemet den dök upp, precis som en accent förråder en persons hemland.
Dessa skillnader är så uttalade att de används för att klassificera planeter och typer av meteoriter. Mars är så annorlunda från jorden, till exempel att dess meteoriter kan identifieras genom att helt enkelt mäta förhållandet mellan tre olika syreisotoper.
År 2001, med hjälp av avancerade masspektrometri tekniker, granskade schweiziska forskare troctolit 76536 och andra månprov. Det visade sig att deras syreisotoper inte kan skiljas från dem på jorden. Geokemister har sedan dess studerat titan, volfram, krom, rubidium, kalium och andra icke-så vanliga metaller på jorden - och alla såg ungefär lika ut.
Detta är dåliga nyheter för Teia. Om Mars skiljer sig från Jorden måste Theia - och därför månen - också vara annorlunda. Om de är desamma, betyder det att månen borde ha bildats av smälta delar av jorden. Det visar sig att klipporna som Apollo samlar in direkt motsäger vad fysiken insisterar på.
"Den kanoniska modellen är i en allvarlig kris," säger Sarah Stewart, en planetforskare vid University of California, Davis. "Hon har inte blivit dödad ännu, men hennes nuvarande status är att hon inte fungerar."
Ånga måne
Stewart har försökt att tänka om de fysiska begränsningarna för detta problem - behovet av en specifik kroppsstorlek som rör sig med en viss hastighet - mot bakgrund av nya geokemiska bevis. 2012 föreslog hon och Matiya Zhuk, nu vid SETI-institutet, en ny fysisk modell för bildandet av månen. De uppgav att den unga jorden var en snurrande dervish, vars dag varade i två till tre timmar, när den drabbades av Theia. Kollisionen producerade en skiva runt jorden - som Saturns ring - men som bara varade i 24 timmar. I slutändan kyldes och stelnade skivan för att bilda månen.
Superdatorer är inte tillräckligt kraftfulla för att helt simulera denna process, men de har visat att en projektil som kraschar i en så snabbt snurrande värld kan skära tillräckligt med Jorden, helt förstöra Theia och skrapa bort tillräckligt med hud från både för att skapa en måne och jord med samma isotopförhållanden. Som en keramiker på ett keramikerhjul.
För att den snabbt roterande jordförklaringen ska vara korrekt måste det dock finnas något annat som bromsar planetens rotationshastighet till dess nuvarande tillstånd. I sitt papper från 2012 hävdade Stewart och Chuck att för vissa orbital-resonanta interaktioner, jorden borde ha överfört vinkelmoment till solen. Senare föreslog Jack Wisdom från Massachusetts Institute of Technology flera alternativa scenarier för att utvinna vinkelmoment från Earth-Moon-systemet.
Ingen av förklaringarna var dock tillfredsställande. 2012-modellerna har aldrig kunnat förklara Månens omloppsbana eller dess kemi, säger Stewart. Och så, förra året, presenterade Simon Locke, en Harvard-examen och Stuart-student vid den tiden, en uppdaterad modell som föreslog en tidigare osynlig planetarisk struktur.
Enligt hans åsikt förångades varje jord och Teia och bildade ett svullet, svullet moln i form av en tjock munk. Molnet roterade så snabbt att det nådde en punkt som kallas ko-rotationsgränsen. Vid den yttre kanten av molnet cirklade det avdunstade berget så snabbt att molnet tog på sig en ny struktur med en tjock skiva som kretsade om det inre området. Det är viktigt att skivan inte separerades från den centrala regionen på samma sätt som Saturns ringar är.
Förhållandena i denna struktur är obeskrivligt heliga; det finns ingen yta, istället moln av smält sten, där varje område i molnet bildar regndroppar av smält sten. Månarna växte inuti denna ånga, säger Locke, innan ångan slutligen kyldes ned och lämnade bakom Earth-Moon-systemet.
Med tanke på strukturens ovanliga egenskaper kände Locke och Stewart att det förtjänade ett nytt namn. De försökte flera versioner innan de kom till "synestia", som använder det grekiska prefixet "synd", som betyder "tillsammans", och gudinnan Hestia, som representerar hem, eldstad och arkitektur. Detta ord betyder "länkad struktur", säger Stewart.
”Dessa organ är inte vad du tror. Och de ser inte ut som du trodde att de skulle se ut."
I maj publicerade Locke och Stewart ett papper om synestesi fysik; deras arbete med månens synestesi väntar fortfarande. De presenterade det på en planetkonferens och sa att deras kollegor var intresserade, men var knappast med på tanken. Kanske för att synesty förblir bara en idé; till skillnad från ringade planeter, som är många i solsystemet, och protoplanetära skivor, som är många i universum, har ingen någonsin sett en enda.
Men det är ett roligt sätt att förklara vår måns särdrag när våra modeller inte verkar fungera.
Tio månar
Bland solsystemets naturliga satelliter kan jordens måne vara den mest fantastiska på grund av dess ensamhet. Kviksølv och Venus har inga naturliga satelliter, delvis på grund av deras närhet till solen, vars gravitationspåverkan gör satelliternas banor instabila. Mars har små Phobos och Deimos, som vissa tror fångas av asteroider; andra talar för stora kroppar som faller till Mars. Gasjättarna har många satelliter, både hårda och mjuka.
Till skillnad från dessa satelliter sticker jordsatelliten också ut för sin storlek och den fysiska påkänningen den bär. Månen utgör mindre än 1% av jorden per massa, och den totala massan av satelliterna på de yttre planeterna är mindre än 1/10 procent av deras föräldrar. Ännu viktigare är månen 80% av jordsystemets vinkelmoment -
Måne. Med andra ord är månen ansvarig för 80% av systemets rörelse som helhet. För de yttre planeterna är detta värde mindre än 1%.
Kanske bar inte alltid Luna all denna börda. Satellitens ansikte visar bevis på tung bombning; varför skulle vi då anta att bara ett slag formade månen ur jorden? Månen kan ha bildats under många kollisioner, enligt Raluka Rufu, en planetforskare vid Weizman Research Institute i Israel.
I ett papper som publicerades förra vintern hävdade hon att jordens satellit kanske inte var original. Istället blev det en samling av tusentals bitar - minst tio, baserat på hennes beräkningar. Projektilerna flög i olika vinklar och med olika hastigheter till jorden och bildade skivor som slogs samman till "månens skräp" och så småningom försvagade månen som vi känner idag.
Planetforskare noterade sitt arbete. Robin Canup, en månforskare vid Southwest Research Institute och en expert på teorier om månformning, säger att teorin är värt att överväga. Mer forskning behövs dock. Rufu är inte säker på om skräpet rörde sig i samma riktning, precis som månen hela tiden tittar i samma riktning. Om så är fallet, hur kunde de ha gått samman? Detta återstår att se.
Under tiden har andra vänt sig till en annan förklaring till likheterna mellan jorden och månen, vilket kan ha ett mycket enkelt svar. Från synestier till månbälten, nya fysikmodeller - och ny fysik - kan vara kontroversiella. Kanske är månen lik jorden bara för att Theia var lik.
Samma
Månen är inte det enda "jordiska" i solsystemet. Stenar som troctolite 76536 har samma syreisotopförhållande som markstenar, liksom grupper av asteroider - enstatitkondriter. Systerisotoperna hos dessa asteroider liknar de på jorden, säger Miriam Telus, en kosmokemist som studerar meteoriter vid Carnegie-institutionen i Washington. "Ett av argumenten är att de bildades i heta områden på disken som kunde vara närmare solen," säger hon. De kan ha bildats nära Jorden.
Några av dessa stenar samlades för att bilda jorden; andra bildade Theia. Enstatitkondriter är kvarvarande stenar som aldrig har samlats upp eller odlats tillräckligt stora för att bilda mantlar, kärnor och fullformade planeter.
I januari uppgav Nicholas Daufas, en geofysiker vid University of Chicago, att de flesta bergarter som blev jorden var meteoriter av enstatityp. Han hävdade att allt som bildades i en region skulle samlas in från dem. Planetkonstruktion ägde rum med samma blandade material som vi nu hittar på jorden och månen; de ser samma ut eftersom de är desamma. Den jättekroppen som bildade månen hade troligen en isotopisk sammansättning som liknar jordens.
David Stevenson, ett Kalifornien institut för teknikplanetforskare som har studerat månens ursprung sedan Theias hypotes presenterades 1974, säger att han anser att detta arbete är det viktigaste bidraget till kontroversen under det senaste året. Eftersom det fokuserar på ett problem som geokemister har försökt lösa i årtionden.
"Detta är en smart historia om hur de olika elementen som gör det till jorden ska ses," säger Stevenson.
Men inte alla håller med. Det kvarstår frågor om de isotopiska förhållandena mellan element som volfram, konstaterar Stewart. Tungsten-182 är ett derivat av hafnium-182, så förhållandet mellan volfram och hafnium fungerar som en klocka för att bestämma åldern för en viss berg. Om en sten har mer volfram-182 än en annan, kan du säkert säga att den volframrika berg bildades tidigare. Men de mest exakta mätningarna visar att förhållandet mellan volfram och hafnium är desamma för jorden och månen. Två organ måste vara under särskilda förhållanden för att detta skulle kunna ske.
Baserat på material från Quanta
Ilya Khel
