Przystanek nauka - portal Uniwesytetu Śląskiego w Katowicach

Badaniem budowy i ewolucji planety, ich księżyców i innych ciał niebieskich zajmuje się nauka zwana planetologią (ang. planetary science). Jej dotychczasowe analizy i badania nad pochodzeniem Księżyca doprowadziły naukowców do stworzenia hipotezy zwanej Teorią wielkiego zderzenia. Wedle tej teorii na pierwszych etapach formownia się Ziemi, około 4,5 miliarda lat temu, w jej bezpośrednim sąsiedztwie zaczęła rosnąć protoplaneta, zwana Theą lub Teją (w mitologii greckiej Teja była matką Selene, czyli Księżyca). Kiedy urosła mniej więcej do wielkości współczesnego Marsa, uderzyła w Ziemię rozbijając się i wyrzucając część skorupy i płaszcza ziemskiego w kosmos. Z części tej materii miał się uformować Księżyc.

Jeżeli Księżyc powstał z odłamków Ziemi to ich budowa geochemiczna powinna być zbliżona lub identyczna. Potwierdziły to próbki przywiezione z Księżyca przez misję Apollo. Z ich pierwszych analiz wynikało, że skład izotopów tlenu w materiałach pochodzących z Księżyca jest niemal identycznych do ziemskiego tlenu.

Chociaż Teoria wielkiego zderzenia całkiem sprawnie tłumaczy wiele geochemicznych podobieństw między Ziemią i Księżycem, to akurat ścisłe podobieństwo izotopów tlenu nie najlepiej daje się połączyć ze scenariuszem, w którym Księżyc powstaje ze zmieszanych materii Ziemi i Tei. Musiałby to oznaczać, że albo oba ciała, które zderzyły się cztery i pół miliarda lat temu miałyby od początku identyczne izotopy tlenu albo po zderzeniu musiałby nastąpić całkowite wymieszanie. Obie opcje są mało prawdopodobne, co wynika także z przeprowadzonych przez badaczy symulacji.

– Nasze badania prowadzą do wniosków, że dolny płaszcz Księżyca jest znacznie słabiej wymieszany niż warstwy bliższe powierzchni i w związku z tym możemy założyć, że jest dobrym reprezentantem tego, jak zbudowana była Teja – wyjasnia Erick J. Cano, współautor publikacji, młodszy badacz na Uniwersytecie Nowego Meksyku. – Te dane dowodzą, że odmienne izotopy tlenu Ziemi i Tei nie wymieszały się całkowicie podczas zderzenia formującego Księżyc. Co więcej, na podstawie tych samych danych możemy założyć, że Teja uformowała się w większej odległości od Słońca niż Ziemia.

 Na jakiej podstawie naukowcy prezentują swoje twierdzenia, skoro od dawna nie sprowadzono nowych materiałów do badania z Księżyca? Nie było to potrzebne, ponieważ jest ich już na Ziemi wystarczająco dużo. Kolejne misje Apollo sprowadziły na Ziemię prawie 400 kg próbek (2415 egzemplarze), a są jeszcze próbki radzieckiego programu Łuna i to, co spadło na Ziemię z meteorytami. Wiele próbek, chociaż zebranych na powierzchni Księżyca, pochodzi z jego głębi, a wydostało się przez erupcje wulkaniczne, które miały miejsce w historii naszego satelity (ostatnie wybuchy nastąpiły około 1,2 miliarda lat temu).

Analizy przeprowadzone przez Cano i jego współpracowników oparte były na taki właśnie materiale. Badania przeprowadzono w Center for Stable Isotopes (Centrum Trwałych Izotopów), czyli laboratorium wchodzącym w skład Uniwersytetu Nowego Meksyku, zajmującym się wspieraniem badań naukowców i studentów wielu dyscyplin, takich jak nauki o Ziemi, badania planetarne, biologia, antropologia, chemia i nauki biomedyczne.  

Dzięki wykorzystaniu potencjału tego centrum badaczom udało się przeprowadzić analizy wielu materiałów pochodzących z Księżyca, takich jak bazalty, anortozyty, noryty czy szkło wulkaniczne, czyli produkt nieskrystalizowanej, szybko zasychającej magmy. Wraz ze swoimi współpracownikami Cano przeprowadził bardzo precyzyjne badania porównawcze składu izotopów tlenu w tych i ziemskich skałach. Badacze odkryli, że skład izotopowy tlenu jest odmienny w poszczególnych typach skał. Te próbki, które pochodzą z najgłębszej warstwy płaszcza księżycowego (wyrzucone na powierzchnię Księżyca przez jedne z pradawnych wybuchów wulkanicznych), są najmniej podobne do izotopów tlenu ziemskich skał.

– Wyprowadzone przez nas dane sugerują, że wewnętrzny płaszcz Księżyca był najmniej poddany mieszaniu się i jest najbliższy temu, jak mogła wyglądać kiedyś Teja – podsumowuje badania dr Zachary Sharp, geochemik zajmujący się trwałymi izotopami, współautor badania. – W oparci o wyniki naszych badań widzimy, że nie straciliśmy całkowicie informacji na temat składu izotopowego tlenu protoplanety Teja. Co więcej, na podstawie tych wyników możemy założyć, że Teja formowała się w większej odległości od Słońca niż Ziemia i stopniowo później zbliżała się do naszej planety.

Wyniki badan mają konkretne znaczenie dla dalszych badań nad Księżycem. Wzbogacją Teorię wielkiego uderzenia, ponieważ eliminują założenie, że Ziemia i Księżyc powinny mieć identyczne izotopy tlenu i dają dobrą perspektywę dla dalszych badań nad ewolucją Księżyca i modelowaniem uderzenia.

Badania źródłowe: Cano, E.J., Sharp, Z.D. & Shearer, C.K. Distinct oxygen isotope compositions of the Earth and Moon. Nat. Geosci. (2020). https://doi.org/10.1038/s41561-020-0550-0

Opracowano na podstawie artykułu: New research conducted by UNM scientists suggests Earth and Moon not identical oxygen twins opublikowanego na stronie internetowej Uniwersytetu Nowego Meksyku.