Planetvidenskabsmand siger, at hans gruppe har opdaget bevis for, at månen blev født i en flammende glans af herlighed, da et legeme på størrelse med Mars kolliderede med den tidlige jord.
Det er en stor påstand, men Washington University i St. Louis planetforsker Frédéric Moynier siger, at hans gruppe har opdaget bevis for, at månen blev født i en flammende ære af glans, da et legeme på størrelse med Mars kolliderede med den tidlige jord.
Beviserne synes måske ikke så imponerende for en ikke-videnskabsmand: et lille overskud af en tungere variant af elementet zink i månebjerge. Men berigelsen opstod sandsynligvis, fordi tungere zinkatomer kondenseret ud af den rystende sky af fordampet sten skabt af en katastrofal kollision hurtigere end lettere zinkatomer, og den resterende damp slap væk, før den kunne kondensere.
Forskere har været på udkig efter denne slags sortering efter masse, kaldet isotopisk fraktionering, siden Apollo-missionerne først bragte måne klipper til Jorden i 1970'erne. Moynier, ph.d., assisterende professor i jord- og planetvidenskab i Arts & Sciences - sammen med ph.d.-studerende, Randal Paniello, og kollega James Day fra Scripps Institution of Oceanography - er de første til at finde det.
Måneklipperne, geokemister opdagede, mens de ellers kemisk lignede jordklipperne, var desværre korte på flygtige (let fordampede elementer). En gigantisk påvirkning forklarede denne udtømning, mens alternative teorier for månens oprindelse ikke gjorde det.
Men en oprettelsesbegivenhed, der lod flygtige stoffer glide væk, burde også have frembragt isotopisk fraktionering. Videnskabsmænd kiggede efter fraktionering, men kunne ikke finde den, hvilket efterlod virkningsteorien om oprindelse i limbo - hverken bevist eller modbevist - i mere end 30 år.
"Størrelsen af den fraktionering, vi målte i månebjergene, er 10 gange større end hvad vi ser i jordbundne og martiske klipper," siger Moynier, "så det er en vigtig forskel."
Dataene, der blev offentliggjort i den 18. oktober 2012, udgave af Nature, giver det første fysiske bevis for engrosfordampningsbegivenhed siden opdagelsen af flygtig udtømning i månebergene, siger Moynier.
The Giant Impact Theory
I henhold til Giant Impact Theory, der blev foreslået i sin moderne form på en konference i 1975, blev Jordens måne skabt i en apokalyptisk kollision mellem et planetarisk legeme kaldet Theia (i græsk mytologi månens mor Selene) og den tidlige jord.
Korspolariseret, transmitteret lysbillede af en måneberg afslører dens skjulte skønhed. Kredit: J. Day
Denne kollision var så kraftig, at det er svært for blot dødelige at forestille sig, men den asteroide, der teoretiseres for at have dræbt dinosaurerne, menes at have været på størrelse med Manhattan. Teien antages at have været på planeten Mars.
Smashup frigav så meget energi, at det smeltede og fordampede Theia og meget af proto-jordens mantel. Månen kondenseres derefter ud af skyen af stendamp, hvoraf nogle også genindtræder til Jorden.
Denne tilsyneladende udlandske idé fik trækkraft, fordi computersimuleringer viste en gigantisk kollision kunne have skabt et jord-månesystem med den rigtige orbitaldynamik, og fordi det forklarede et nøgleegenskab ved månebergene.
Når geokemister fik månebergarter i laboratoriet, indså de hurtigt, at klipperne er udtømt i det, som geokemister kalder "moderat flygtige" elementer. De er meget dårlige i natrium, kalium, zink og bly, siger Moynier.
”Men hvis klipperne blev udtømt i flygtige stoffer, fordi de var blevet fordampet under en kæmpe påvirkning, skulle vi også have set isotopfraktionering,” siger han. (Isotoper er varianter af et element, der har lidt forskellige masser.)
”Når en klippe smeltes og derefter fordampes, kommer de lette isotoper ind i dampfasen hurtigere end de tunge isotoper, så du ender med en damp beriget med de lette isotoper og en fast rest, der er beriget med de tungere isotoper. Hvis du mister dampen, vil resten blive beriget i de tunge isotoper sammenlignet med udgangsmaterialet, ”siger Moynier.
Problemet var, at forskere, der kiggede efter isotopfraktionering, ikke kunne finde det.
Ekstraordinære krav kræver ekstraordinære data
På spørgsmålet om, hvordan han følte sig, da han så de første resultater, siger Moynier, ”Når du finder noget nyt, og som har vigtige konsekvenser, vil du være sikker på, at du ikke har fået noget galt.
"Jeg forventede halvdelen af resultater som dem, der tidligere blev opnået for moderat flygtige elementer, så når vi fik noget så anderledes, reproducerede vi alt fra bunden for at sikre, at der ikke var nogen fejl, fordi nogle af procedurerne i laboratoriet kunne tænkes at brække isotoperne."
Han var også bekymret for, at fraktionering kunne have fundet sted gennem lokaliserede processer på månen, såsom ildvanding.
For at sikre, at effekten var global, analyserede teamet 20 prøver af månebjerge, inklusive dem fra Apollo 11, 12, 15 og 17-missionerne - som alle gik til forskellige steder på månen - og en måne-meteorit.
For at få prøverne, der er opbevaret i Johnson Space Center i Houston, måtte Moynier overbevise et udvalg, der kontrollerer adgangen til dem af projektets videnskabelige fortjeneste.
"Det, vi ønskede, var basalterne," siger Moynier, "fordi det er dem der kom fra inde i månen og ville være mere repræsentative for månens sammensætning."
Men månebasalter har forskellige kemiske sammensætninger, siger Moynier, inklusive en lang række titankoncentrationer. Isotoper kan også fraktioneres under størkning af mineraler fra en smelte. ”Effekten skal være meget, meget lille,” siger han, “men for at sikre, at dette ikke var, hvad vi så, analyserede vi både titanrige og titanfattige basalter, som er i de to yderpunkter i området for kemisk sammensætning på månen. ”
Basaltene med lavt og højt titan havde de samme isotopforhold på zink.
Til sammenligning analyserede de også 10 martinske meteoritter. Der var få få fundet i Antarktis, men de andre var fra samlingerne på feltmuseet, Smithsonian-institutionen og Vatikanet.
Mars er ligesom Jorden meget rig på flygtige elementer, siger Moynier. "Fordi der er en anstændig mængde zink inde i klipperne, havde vi kun brug for en lille smule for at teste for fraktionering, og derfor var disse prøver lettere at få."
Kunstner rekreation. Kredit: NASA / JPL-Caltech
Hvad det betyder
Sammenlignet med terrestriske eller martiske klipper har månebjergene, Moynier og hans team, analyseret meget lavere koncentrationer af zink, men er beriget med de tunge isotoper af zink.
Jorden og Mars har isotopiske sammensætninger som chondritiske meteoritter, som menes at repræsentere den oprindelige sammensætning af skyen med gas og støv, hvorfra solsystemet dannede sig.
Den enkleste forklaring på disse forskelle er, at forholdene under eller efter dannelsen af månen førte til et mere omfattende flygtigt tab og isotopfraktionering, end hvad Jorden eller Mars oplevede.
Månenes isototiske homogenitet antyder på sin side, at isotopisk fraktionering er resultatet af en storstilet proces snarere end en, der kun fungerede lokalt.
I betragtning af disse bevislinjer er den mest sandsynlige store begivenhed engrossmeltning under dannelsen af månen. De isotopiske zinkdata understøtter derfor teorien om, at en gigantisk påvirkning gav anledning til Jord-månesystemet.
"Arbejdet har også konsekvenser for jordens oprindelse," påpeger Moynier, "fordi månens oprindelse var en stor del af jordens oprindelse."
Uden månens stabiliserende indflydelse ville Jorden sandsynligvis være en meget anden slags sted. Planetforskere mener, at Jorden ville spin hurtigere, dage ville være kortere, vejret mere voldeligt og klimaet mere kaotisk og ekstremt. Faktisk kunne det have været en så hård verden, at den ville have været uegnet til udviklingen af vores yndlingsarter: os.
Via Washington University i St. Louis