Kako smo dobili Luno

Nazaj

Zemlja in Luna sestavljata edinstven sistem. Slednja ima le 81-krat manjšo maso od našega planeta, razmerje njunih polmerov pa je 1 proti 4. Gre za največji taki razmerji med vsemi planeti v Osončju. Obe telesi se po zgradbi močno razlikujeta. Naš naravni satelit vsebuje le majhno železno jedro, katerega masni delež je komaj 1 %, njegov polmer pa le 20 % Luninega. Pri Zemlji sta ti dve številki enaki 50 % ter 30 %. Zaradi tako majhnega jedra je povprečna gostota Lune enaka le 3,6 g/cm³, medtem ko je ta vrednost pri Zemlji bistveno višja, kar 5,5 g/cm³. Obe telesi imata še eno posebnost, namreč izredno veliko vrtilno količino. Gre za lastnost teles, ki se bodisi vrtijo okoli lastne osi, bodisi krožijo okoli drugega telesa. Če izračunamo seštevek te količine za Luno in Zemljo, dobimo nenavadno visoko vrednost, kar kaže na to, da se je ob trenutku nastanka Lune naš planet vrtel dokaj hitro. Lunina posebnost je tudi, da je bila ob nastanku vsaj deloma staljena in da jo je prekrival globok ocean magme.

O nastanku Meseca obstaja veliko hipotez. Večina njih je bila za znanstvenike sprejemljiva vse do programa Apollo, ki je na naš satelit ponesel prve astronavte. Med njimi najdemo hipotezo hkratnega nastanka z akrecijo, hipotezo fizije oziroma cepitve ter hipotezo ujetja. Vzorci kamnin, ki so jih ameriški astronavti prinesli na Zemljo, so pokazali izjemno podobno kemijsko sestavo Lunine in Zemljine skorje ter še druge posebnosti, zaradi česar so te hipoteze postale malo verjetne. Kljub temu jih na kratko omenimo.

Verjetno je, zaradi svoje enostavnosti, še najbolj privlačen predlog, da sta Luna in Zemlja nastali hkrati in sicer zaradi gravitacijskega kolapsa snovi v protoplanetarnem disku, ki je pred 4,6 milijardami let obkrožal nastajajoče Sonce. Vendar takoj pridemo do prve težave. Namreč, če bi Luna in Zemlja nastali hkrati kot posledica identičnega procesa ter na približno isti razdalji od Sonca, bi imeli enako strukturo ter podobno povprečno gostoto.

Polna Luna. Vir: NASA.

Alternativno hipotezo o nastanku Lune je že leta 1879 predlagal znanstvenik Sir George Darwin, angleški astronom ter sin bolj znanega Charlesa Darwina. To je tako imenovana hipoteza fizije oziroma cepitve, po kateri naj bi se zelo mlada proto-Zemlja vrtela izjemno hitro, kar naj bi imelo kot posledico močno centrifugalno silo na ekvatorju. To je sila, ki jo občutimo vsakič, ko z avtom zapeljemo v ovinek, zaradi nje pa naj bi bila mlada Zemlja izjemno sploščena. Velikost te sile morala biti na ekvatorju le malo manjša od Zemljinega gravitacijskega privlaka. Darwin je špekuliral, da so plimske sile Sonca na nastajajoči Zemlji povzročile še dodatno izbočenje dela njene površine, zaradi česar se je v določenem trenutku del površja ločil od preostalega planeta in začel krožiti okoli njega. Geolog Osmond Fisher se je leta 1889 oprl na Darwinovo hipotezo ter predlagal, da je kot posledica te cepitve nastala kotanja, kjer se danes nahaja Tihi oziroma Pacifiški ocean. Ta hipoteza je bila pozneje ovržena, saj so izračuni pokazali, da je že omenjena skupna vrtilna količina Zemlje in Lune premajhna za tak scenarij.

Tretja hipoteza predlaga, da sta Zemlja ter Luna nastali na zelo različnih heliocentričnih razdaljah in da se je v danem trenutku Mesec našemu planetu močno približal ter ostal ujet v orbiti okoli njega. Glavna težava s to hipotezo je, da je tako ujetje izredno malo verjetno, saj se bližnje srečanje dveh nebesnih teles z ogromno verjetnostjo konča z njunim trkom. Drugi problem je dejstvo, da sta si sestava Lunine ter Zemljine skorje izjemno podobni, kar bi bilo nemogoče, če bi obe telesi nastali na zelo različnih lokacijah v Osončju.

Tako se danes večina znanstvenikov ogreva za četrto možnost – namreč, da je Luna nastala kot posledica trka Zemlje z drugim planetarnim telesom. To hipotezo je prvikrat predlagal kanadski geolog Reginald Aldworth Daly in sicer že leta 1946, vendar je znanstvena srenja vse do 70-tih let 20. stoletja ni jemala resno. Preobrat se je zgodil leta 1974, ko sta ameriška astronoma William Kenneth Hartmann ter Donald R. Davis to hipotezo oživila. Ta znanstvenika sta v svoji raziskavi pokazala, da je v zgodnjem Osončju obstajalo ogromno teles s premeri od 100 pa vse do 3000 kilometrov. Eno takih naj bi v obdobju med 10 do 100 milijonov let po nastanku Osončja zadelo Zemljo. Izračunala sta, da če bi polmer tega telesa znašal 1200 kilometrov, njegova hitrost glede na Zemljo pa 13 kilometrov na sekundo, bi zaradi trka v prostor okoli našega planeta odletelo kar za dve Lunini masi snovi. Ta snov bi izvirala večinoma iz Zemljine skorje ter zgornjih plasti plašča, kar bi razložilo majhne količine železa na Mesecu. Ob trku naj bi se okrog našega planeta ustvaril oblak snovi, ki se je sčasoma zgostil v Luno.

Računalniška simulacija trka Teje z Zemljo. Vir: Jacob Kegerreis.

Tej hipotezi danes pravimo hipoteza velikega impakta in je skozi leta doživela mnogo sprememb. Znanstveniki so hipotetično telo, ki naj bi se se zaletelo v Zemljo, poimenovali Teja – po eni izmed Titanov, materi Selene, grške boginje Lune. Danes znanstveniki menijo da je bila Teja veliko večja od prvotnih ocen, saj naj bi po velikosti bila podobna Marsu. V Zemljo naj bi se zaletela s hitrostjo med 11 in 15 kilometrov na sekundo, kar je sprostilo dovolj energije, da je večina kamnite snovi na Zemljo preprosto izparela. Te izparine naj bi odneslo vse do razdalje kar 130.000 kilometrov, njihova temperatura pa je znašala med 2000 in 4000 K. Ta snov je sčasoma bodisi padla nazaj na Zemljo, bodisi je iz nje nastal Mesec.

Večina ocen za dolžino obdobja v katerem bi iz izparin nastala Luna segajo od nekaj deset pa do nekaj sto let. Te ocene je na glavo postavil znanstveni članek, ki je bil oktobra letos objavljen v prestižni znanstveni reviji The Astrophysical Journal. V njem je skupina znanstvenikov pod vodstvom Jacoba Kegerreisa z Univerze Durham v Veliki Britaniji objavila rezultate najnovejše raziskave, kjer so nastanek Lune simulirali z najnatančnejšimi računalniškimi simulacijami do danes. Simulacije so pokazale možnost, da je Luna nastala praktično takoj po velikem impaktu. Ta formacija bi lahko trajala le nekaj ur, končni rezultat pa bi bilo telo katerega masa ter vsebnost železa bi bili podobni tisti, na našem satelitu.

Če bodo bodoče raziskave potrdile ta izjemno hiter scenarij nastanka Lune, bo to pomembno doprineslo tudi k razumevanju evolucije same Zemlje ter življenja na njej.



Nadaljna čtiva za najbolj radovedne

1. Wise, D. U., »Origin of the Moon by Fission«, objavljeno v publikaciji The Earth-Moon System; proceedings of an international conference held January 20-21, 1964. Urednika B. G. Marsden and A. G. W. Cameron. Library of Congress Catalog Card No. 65-26632; QB631 .M364 c.2. Published by Plenum Press, New York, NY USA, 1966, p.213
2. Inside the Moon, NASA Science, https://moon.nasa.gov/inside-and-out/what-is-inside-the-moon/
3. Lognonné, P, Johnson, C. L., Planetary Seismology, Treatise on Geophysics, 2nd Edition, Edited by Gerald Schubert. ISBN: 978-0-444-53803-1, Elsevier, 2015, p.65-120, 2015.
4. Ringwood, A. E., Origin of the Moon: The precipitation hypothesis, Earth and Planetary Science Letters, Volume 8, Issue 2, p. 131-140, 1970
5. Hartmann, W. K. and Davis, D. R., “Satellite-Sized Planetesimals and Lunar Origin”, Icarus, vol. 24, no. 4, pp. 504–515, 1975. doi:10.1016/0019-1035(75)90070-6.
6. Cameron, A. G. W. and Ward, W. R., “The Origin of the Moon”, vol. 7, p. 120, 1976.
7. Cameron, A. G. W., “The Origin of the Moon and the Single Impact Hypothesis V”, Icarus, vol. 126, no. 1, pp. 126–137, 1997. doi:10.1006/icar.1996.5642.
8. Canup, R. M., “Origin of the Moon”, arXiv e-prints, 2021.