Terra, Theia și formarea Lunii – care este oare povestea?

De mii de ani, Luna a fascinat omenirea cu lumina ei, cu fazele creșterii și descreșterii ori cu forța exercitată asupra oceanelor, prin care sunt generate mareele. Nu este de mirare, așadar, că această fascinație a generat și o întrebare, relativ, simplă: cum s-a format Luna, singurul satelit natural al Terrei?

Oamenii de știință, în principal astronomii și geologii, au propus, de-a lungul timpului, o serie de ipoteze, care au fost supuse, rând pe rând, testării științifice pe măsură ce noi date s-au acumulat. Cinci ipoteze sunt considerate astăzi că ar putea descrie modul de formare a Lunii.

IPOTEZA FISIUNII

Propusă de Sir George Darwin (al doilea fiu al celebrului Charles Darwin) în 1898, această ipoteză consideră că Luna a fost o parte a Terrei inițiale, în stare topită, de unde s-ar fi desprins datorită rotirii rapide a planetei noastre și atracției exercitate de mareele solare. Actualul bazin al Oceanului Pacific ar fi locul din care Luna ar proveni.

În prezent, această ipoteză este considerată neverosimilă de majoritatea cercetătorilor, pe motiv că Terra nu ar fi avut o viteză de rotație suficient de mare pentru a putea expulza o masă masivă de roci. Dar în 2010 a fost publicat un studiu, care sugerează că o acumulare super-concentrată de elemente radioactive ar fi produs o explozie nucleară suficient de intensă ca să smulgă o parte din trupul Terrei și să-l expulzeze în spațiu.

IPOTEZA CAPTURĂRII

Pleacă de la faptul că mulți sateliți planetari sunt, de fapt, asteroizi capturați. De aici, sugestia că și Luna s-ar fi format, de fapt, în altă parte a sistemului solar, după care a fost capturată de câmpul gravitațional al Terrei.

Această ipoteză suferă de trei defecte:

– asteroizii capturați au forme neregulate, asemănătoare unor cartofi cosmici (exemplu: Phobos și Daimos, cei doi sateliți ai planetei Marte, considerați a fi original doi asteroizi); Luna, însă, are o formă sferică, regulată.

– un alt semn că avem de-a face cu un satelit capturat este faptul că acesta se rotește într-o direcție opusă planetei mamă (exemplu: Triton, satelitul planetei Neptun); Luna, însă, se rotește în același sens cu Terra.

– compoziția geochimică a satelitului capturat diferă de cea a planetei mamă, pentru că este vorba de două corpuri cerești diferite, formate din materiale diferite; dar analiza raporturilor izotopilor de oxigen, efectuată pe probele de roci aduse de pe Lună și pe cele similare de pe Terra, indică o similaritate foarte avansată, sugerând că Luna și Terra provin dintr-o sursă comună de materii prime.

IPOTEZA CO-FORMĂRII (CONDENSĂRII COMUNE)

Conform acestei ipoteze, Luna și Terra s-ar fi format simultan, prin condensare individuală din nebuloasa care ar fi generat sistemul solar, cu circa 4,5 miliarde ani în urmă. Avantajul acestei ipoteze este că explică similaritățile geochimice (izotopice) dintre cele două corpuri cerești.

Pe de altă parte, formarea Lunii în vecinătatea Terrei ar fi trebuit să producă o structură internă asemănătoare cu a Terrei. Dar Lunii îi lipsește un nucleu metalic semnificativ, comparativ cu cel terestru. În plus, ipoteza nu explică nici momentul unghiular mare al sistemului Pământ-Lună.

IPOTEZA COLIZIUNII UNOR EMBRIONI PLANETARI

Presupune existența unor corpuri cerești miniaturale, cu dimensiuni variind de la milimetri la câteva sute de kilometri, care se roteau în jurul Soarelui și Terrei, la începutul formării sistemului solar. Coliziunea lor a generat „deșeuri” planetare, care, mai târziu, s-ar fi coagulat, formând Luna. Ipoteza aparține unui astronom sovietic, Viktor S. Safronov (1969).

Nu există multe dovezi pentru a verifica această ipoteză. De asemenea, formarea Lunii din „resturi” cosmice nu explică similaritățile geochimice dintre Lună și Pământ. Exemple de embrioni planetari sunt considerați astăzi asteroizii și obiectele centurii Kuiper.

IPOTEZA UNUI IMPACT GIGANTIC

Aceasta este ipoteza științifică preferată în prezent pentru formarea Lunii. Se presupune că o proto-planetă, numită Theia (mama Lunii, în grecește), probabil de mărimea lui Marte, ar fi izbit tangențial planeta noastră, expulzând un volum semnificativ de material terestru. Un disc de material s-a format în urma impactului și a început să se rotească în jurul Terrei. În cele din urmă, materialul discului s-a condensat, devenind Luna actuală.

Impactul cosmic (de fapt, o catastrofă cosmică) ar fi avut loc la circa 40-50 milioane de ani după formarea sistemului solar. Trebuie remarcată contemporaneitatea evenimentului cu evoluția Soarelui, care și-a atins secvența maximă la circa 50 milioane ani după formarea sistemului solar. Se mai presupune că atunci masa Terrei era de circa 70-90% din masa actuală.

Coliziunea timpurie a Terrei cu Theia a produs probabil o topire aproape completă a planetei noastre și formarea unui ocean de magmă, precum și topirea mantalei terestre. Dovezile aduse în sprijinul ipotezei impactului gigantic includ analiza rocilor aduse de pe Lună de misiunile Apollo, indicând faptul că suprafața Lunii a fost cândva topită, existența unui nucleu feros lunar aparent mic, precum și dovada unor coliziuni similare în alte sisteme stelare.

Rotația relativ rapidă a Terrei în jurul axei proprii (24 ore) și înclinarea axei terestre de rotație în raport cu orbita sa de revoluție în jurul Soarelui sunt consecințe directe ale impactului care a dus la formarea Lunii. În prezent, oblicitatea terestră (înclinarea axei de rotație) este de 23,5° și această înclinare dă naștere progresiei normale a anotimpurilor.

Fără Lună, oblicitatea terestră ar varia haotic și simulările numerice sugerează că înclinarea axei ar putea varia cu 85°. Astfel, fără Lună, planeta noastră nu ar fi locuibilă. În plus, conform ciclurilor climatice descoperite de Milankovich, înclinarea axei de rotație joacă un rol important în apariția glaciațiilor în emisfera nordică.

Pentru a putea crea o Lună săracă în fier și care, în același timp, să reproducă momentul angular al sistemului Pământ-Lună, modelele anterioare au necesitat un impact Theia-Terra tangențial, la un unghi de circa 45°, iar compoziția geochimică a Lunii ar fi trebuit să fie în principal similară cu cea a proto-planetei impactoare.

De aceea, ca regulă generală, Luna și Pământul nu ar trebui să fie identice din punct de vedere al compoziției lor geochimice. Cu toate acestea, cercetările recente au arătat că rocile lunare și cele terestre sunt practic identice compozițional. Cum se poate explica această situație?

Ipoteza coliziunii frontale

Răspunsul a venit dintr-o nouă cercetare, publicată în luna ianuarie 2016 în revista Science de către un grup de geochimiști de la University of California în Los Angeles (UCLA), împreună cu colegi din Germania și Franța, care avansează o nouă ipoteză: coliziunea a avut loc frontal, la 100 milioane ani de la nașterea sistemului solar!

Ipoteza coliziunii frontale a fost propusă inițial în 2012 de Matija Cuk, în prezent cercetător științific la Institutul SETI, alături de Sarah Stewart, în prezent profesoară la University of California at Davis. Separat, în același an, ipoteza a fost propusă și de Robin Canup, de la Southwest Research Institute.

Noul studiu se bazează pe analiza a șapte eșantioane de roci aduse de pe Lună de misiunile Apollo 12, 15 și 17, precum și a șase roci vulcanice din mantaua terestră – cinci din Hawaii și una din Arizona. Cercetătorii au folosit, ca element decisiv al reconstrucției impactului gigantic, o amprentă geochimică a rocilor: raportul izotopilor de oxigen ¹⁷O.

Geologii cunosc foarte bine că rocile terestre și cele lunare conțin oxigen: 90% ca volum și 50% ca masă. Oxigenul are trei izotopi: ¹⁶O (opt protoni și opt neutroni), cel mai răspândit (99,9%), ¹⁷O (are un neutron în plus) și ¹⁸O (cu doi neutroni extra).

Raportul ¹⁷O reprezintă concentrația relativă a izotopilor de oxigen (¹⁷O/¹⁶O vs. ¹⁸O/¹⁶O) și are o valoare unică pentru Terra, Marte și alte planete ale sistemului solar. Astfel, acest raport devine o amprentă geochimică distinctă – un soi de ADN al rocilor! Determinarea originii unei roci se poate face precis, folosind măsurători ale raportului ¹⁷O.

Folosind o tehnologie de ultima oră și tehnici de măsurare extrem de precise, echipa de cercetători de la UCLA a determinat că Terra și Luna au raporturi ¹⁷O practic egale – diferența a fost de -1 ± 5 ppm (părți per milion). Pe baza acestor rezultate și a noilor simulări a formării unei planete, simulări care includ și un model realist al rezervoarelor primare de izotopi ai oxigenului, cercetătorii au ajuns la concluzia că impactul dintre Theia și Terra a generat un amestec viguros al celor două corpuri cerești. Iar impactul s-a caracterizat printr-un moment angular mare și o impresionantă cantitate de energie degajată.

Faptul că oxigenul din rocile lunare și cele terestre are practic aceeași amprentă geochimică este foarte grăitor. Dacă coliziunea dintre Theia și Terra ar fi fost oblică ori tangențială, marea majoritate a Lunii ar fi fost alcătuită din Theia, iar Luna și Terra ar fi avut amprente geochimice diferite. Dacă însă coliziunea a avut loc frontal, atunci ne așteptăm ca rocile de pe Lună și cele de pe Terra să aibă o compoziție chimică similară.

Pe baza rezultatelor obținute de cercetători, reiese că proto-planeta impactoare, Theia, a fost pe deplin mixată cu Luna și Terra, dar și egal dispersată între cele două. Această situație explică de ce nu s-a putut identifica o amprentă diferită a proto-planetei Theia în rocile lunare versus rocile terestre.

Cercetătorii de la UCLA mai cred că Theia, care nu a supraviețuit coliziunii (cu excepția acelor părți mari „îngurgitate” de Pământ și Lună), era într-o fază de creștere și probabil ar fi devenit o planetă adevărată dacă nu ar fi intervenit coliziunea. Ei consideră că Theia avea aproximativ aceeași mărime ca Terra; alți oameni de știință sugerează că ar fi fost mai mică, de mărimea lui Marte.

O chestiune interesantă legată de noua cercetare este următoarea: coliziunea cu Theia a îndepărtat apa, pe care ar fi putut-o conține tânără noastră planetă? Posibil, spun cercetătorii. Dar, după coliziune, poate după câteva zeci de milioane de ani, Terra a început să fie bombardată cu mici asteroizi, dintre care unii purtau multă apă. Astfel, oceanele terestre și-ar fi refăcut rezervele hidrologice.

Concluzia noii cercetări este surprinzătoare și fascinantă, în același timp – Terra este, de fapt, formată din două planete sudate: Theia și Terra!

Știință&Tehnică

Revista “Ştiinţă şi Tehnică“, cea mai cunoscută şi longevivă publicaţie de popularizare a ştiintelor din România