Havde tingene gået anderledes i de tidlige dage af det indre solsystem, kunne det storslåede skue med en total solformørkelse være en månedlig begivenhed.
Illustration af hældningen af månens bane med hensyn til jord-solplanet. Det er derfor, vi ikke har måneformørkelser hver måned. Ikke i skala. Billede via NASA SpacePlace.
Af Graham Jones fra tensentences.com
Den kommende samlede solformørkelse den 21. august 2017 - synes at være en inspiration for en ny generation af formørkelseschasere. Hvornår er den næste formørkelse? Snarere lang tid viser det sig. Bortset fra fire delvis formørkelser, der for det meste finder sted på ekstreme sydlige eller nordlige breddegrader, er vi nødt til at vente til 2. juli 2019 på den næste samlede solformørkelse, der skærer over Chile og Argentina og slutter ved solnedgang syd for Buenos Aires.
Dette rejser et spørgsmål: hvorfor? Da månen kredser om Jorden en gang om måneden (for at være præcis, den passerer mellem Jorden og sol hver 29,53 dage), hvorfor har vi ikke 12 eller 13 formørkelser hvert år? Jeg arrangerer solformørkelsesværksteder for studerende, og dette spørgsmål har vist sig tankevækkende. Det lette svar er, at månens bane rundt om Jorden vippes med fem grader til planet for Jordens bane omkring solen. Som et resultat, fra vores synspunkt på Jorden, passerer månen normalt enten over eller under solen hver måned ved nymåne.
Men der er et dybere spørgsmål: hvorfor vippes månens bane? Studerende er ofte overrasket over at få at vide, at vi ikke har et klart svar på dette spørgsmål. Faktisk er det et puslespil kendt som Månens hældningsproblem.
I slutningen af 2015 offentliggjorde to planetforskere - Kaveh Pahlevan og Alessandro Morbidelli - en elegant løsning. De havde kørt computersimuleringer for at se på effekten af kollisionsløse møder (næsten mangler) mellem Jord-månesystemet og store objekter, svarende til det, vi i dag kalder asteroider, tilbage fra dannelsen af de indre planeter. Deres resultater - offentliggjort i den peer-reviewede tidsskrift Natur - viste, at disse objekter kunne have gravitationsmæssigt kastet månen ind i en skrå bane.
en. Dannelsen af månen i jordets ækvatoriale plan. b. Udvidelsen af månens bane og kollisionsløse møde med et stort indre solsystemkrop. c. Den kumulative virkning af mange sådanne møder har skråt månens orbitalplan i forhold til Jorden. Billede via Canup, R. (2015) Nature, 527 (7579), 455-456 / AstroBites. Ikke i skala)
Nogle af disse store objekter ville i sidste ende have kollideret med Jorden - og dette giver et svar på et andet puslespil. Da Jorden dannede sig, ville ædelmetaller som platin og guld være ført ned til vores planetes jernkerne. (Ædelmetaller er siderofile, hvilket betyder jern-elskende.) Alligevel kan platin og guld findes på Jordens overflade i relativt høje mængder, hvilket antyder, at de blev leveret til Jorden senere.
Og således bliver Pahlevan og Morbidellis store objekter multi-taskers. For det første skyder de månen i en vippet bane gennem kollisionsløse møder. Derefter leverer de ædelmetaller ved at styrte ned i jorden. Robin Canup, en anden planetvidenskabsmand, fremhævede betydningen af denne dobbelte rolle i en anden Natur artikel, da hun skrev:
Havde en sådan population af objekter ikke eksisteret, kunne månen være i kredsløb i Jordens orbitale plan, med samlede solformørkelser, der forekommer som en spektakulær månedlig begivenhed. Men vores smykker ville være meget mindre imponerende - lavet af tin og kobber snarere end af platin og guld.
Kaveh Pahlevan er i øjeblikket baseret på School of Earth and Space Exploration ved Arizona State University. Jeg spurgte ham om hans arbejde - begyndende med to spørgsmål fra studerende på mine formørkelsesværksteder. Det vil sige, at folk ofte er overrasket over at vide, at der er meget om månen, som vi ikke fuldt ud forstår, herunder spørgsmålet om, hvordan den dannede sig. Som en studerende spurgte:
Vi har lavet et flyby af Pluto; vi har opdaget eksoplaneter; vi studerer fjerne galakser, kvasarer og sorte huller. Så hvordan er det muligt, at vi stadig ikke ved med sikkerhed om månen?
Pahlevan svarede:
Hvis du havde boet i det 17. eller det 18. århundrede, ville du have taget den samme iagttagelse af oprindelsen af levende ting: vi havde omgået kloden; vi havde opdaget fjerne lande og have med flora og fauna, som vi aldrig havde forestillet os; alligevel forstod vi stadig ikke artenes oprindelse. Det er lettere at tage en oversigt over, hvad der kan observeres i dag, end at prøve at udlede oprindelsesbegivenheder, der skete for længe siden, og som ikke er observerbare.
Når der sker en forbrydelse, ankommer efterforskningspolitiet hurtigt på stedet og forsøger at bevare bevismaterialet. I tilfælde af månens oprindelse var der en voldelig begivenhed, men der var ingen vidner, og vi ankommer til stedet fem milliarder år for sent! De fleste af beviserne for denne begivenhed er udslettet over de efterfølgende årgange. Vi er nødt til at se på de få resterende bevismateriale for at prøve at sammensætte en historie. Det er en udfordring. Men det er en del af vores egen oprindelseshistorie, og det er det, der er fængslende.
Videnskabelig metode via Year Nine Science Skills.
Hvornår (hvis nogensinde) vil vi være i stand til at pege på et endeligt svar om, hvordan Jord-månesystemet dannede sig? Pahlevan sagde:
Udviklingen er sjældent definitiv. For at gøre fremskridt, er vi nødt til at anerkende vores uvidenhed. Selv når vi har ideer, der ser ud til at have en vis forklaringskraft, fastholder vi dem ved siden af en vis tvivl og anerkender, at de kan have forkert. Det er menneskeligt at ønske at have historier med forklarende magt: dette er kilden til oprindelsesmyter verden over. Men med vores teorier om videnskabelig oprindelse har vi lært, at de altid er tentative. Vi skal være opmærksomme på begrænsningerne i vores viden, hvis vi skal gøre fremskridt.
Et område, der lover for fremskridt, involverer eksempeldata. Apollo-astronauterne bragte næsten 400 kilo måneklipper tilbage under deres korte måneforsøg i 1960'erne og 70'erne. Teknologien til at analysere sammensætningen af disse klipper er forbedret enormt i det mellemliggende halve århundrede. Så vi er nu i stand til at drille nogle signaler fra månebjælkerne, som vi ikke kunne før.
Dette er spændende, fordi atomerne i månebjælkerne - atomerne i månen - var der under begivenheden med månens oprindelse, og i en eller anden forstand er de vidner til, hvad der skete. Brug af de nyligt tilgængelige underskrifter, der er optaget i disse prøver til at teste og udvikle vores ideer, er et område, der er moden for fremskridt.
Takket være Apollo-missionerne til månen, kan forskere analysere månesten. På en eller anden måde sagde Kaveh Pahlevan, "... de er vidner til, hvad der skete."
Pahlevan's papir fra 2015 med Alessandro Morbidelli ser på virkningen af de kollisionsløse møder, der gik forud for kollisioner mellem Jorden og andre kroppe i det indre solsystem. Jeg spurgte Pahlevan, hvordan han og Morbidelli oprindeligt tænkte på denne idé og senere udviklede den. Han sagde:
For flere år siden deltog jeg på en konference i Ascona, Schweiz, hvor Dr. Morbidelli holdt et foredrag om dannelsen af de jordiske planeter. Han nævnte, at den månedannende påvirkning kan have været den sidste gigantiske påvirkning i jordens dannelseshistorie, måske fordi tidligere genererede satellitter ville være gået tabt ved hjælp af møder med andre massive kroppe i det indre solsystem, hvilket var en meget overfyldt sted på det tidspunkt. Jeg vidste, at månens hældning var et åbent videnskabeligt problem, og det var der, frøene til dette projekt blev plantet. Jeg gik hjem og foretog nogle beregninger.
Jeg henvendte mig senere til Dr. Morbidelli på en anden konference om anvendelse af kollisionsløse møder på månens hældningsproblem, og han udtrykte interesse for ideen og inviterede mig til Nice, Frankrig, i 2012 for at arbejde med dette projekt. Dr. Morbidelli har en flytning med numeriske integrationer, der er meget sjældne, så når ideen var på plads, skred tingene hurtigt, og det blev øjeblikkeligt klart, at der var potentiale der.
Nogle professionelle astronomer tilbringer al deres tid foran en computer og ser faktisk ikke op på himlen.Du er en planetvidenskabsmand, ikke en astronom, men bruger du nogensinde tid på at stirre op på genstandene i din undersøgelse?
Jeg er teoretiker, så jeg bruger ikke meget tid på teleskoper eller steder, hvor himlen er mørk. Nogle gange, når vi er ude, spørger mine ikke-videnskabelige venner mig 'Hvor er månen?' Jeg har ingen idé om, hvor den er. Men nogle gange, når jeg går rundt på min dag, lægger jeg mærke til det på himlen. Det er en påmindelse om at komme tilbage på arbejde.
Graham Jones, der skrev denne artikel, arrangerer solformørkelsesværksteder for studerende via tensentences.com. Graham vil præsentere live dækning af formørkelsen 21. august på timeanddate.com.
Nederste linje: Den fem-graders hældning af månens bane - som er grunden til, at solformørkelser er sjældne begivenheder - er for nylig blevet forklaret af kollisionsløse møder (næsten mangler) mellem jord-månesystemet og store objekter, der er tilbage fra dannelsen af indre solsystem.