Afbeelding in de hoofding: Botsing tussen de vroege Aarde en Theia. Bron: NASA/JPL-Caltech – http://www.nasa.gov/multimedia/imagegallery/image_feature_1454.html
De Maan is iets bijzonder
Onze planeet Aarde heeft een opvallend grote maan. Dat is niet vanzelfsprekend. De andere vaste planeten hebben dat niet. Venus en Mercurius hebben helemaal geen maan, en Mars heeft enkel twee kleintjes. Is dat een belangrijk verschil? zeker wel. We gaan in het volgende item (1.15.) bekijken hoe de leefbaarheid van de Aarde verbeterd wordt door onze uitzonderlijke maan. Maar eerste vragen we ons af: hoe komen wij eraan?
Vroeger wisten we eigenlijk niet hoe onze grote maan er gekomen is. Er waren geloofwaardige hypothesen, maar zolang we de Maan van veraf moesten bestuderen konden we geen overtuigend bewijsmateriaal vinden om één van die hypothesen over te houden als meest geloofwaardig. Dat is dus veranderd nadat de Amerikanen de Maan bezocht hebben met hun Apollo missies. De stenen die de astronauten toen naar de Aarde hebben meegenomen zijn grondig onderzocht. En dit onderzoek heeft de doorslag gegeven, weliswaar stevig geholpen door talrijke computermodellen. De hypothese die vandaag de absolute favoriet is: een planeet – genaamd Theia – is ongeveer 4,51 miljard jaar geleden tegen de jonge Aarde gebotst. Uit het puin van de gigantische botsing is de Maan gevormd. Het valt ietwat buiten deze cursus om er diep op in te gaan. Toch geef ik graag een kort samengevat overzicht, omdat we ons toch ook weer afvragen of iets gelijkaardig zou kunnen gebeuren in een planetenstelsel rond een andere ster dan de Zon.
Aarde en Maan mantels: quasi geen verschil in isotopen samenstelling
De maanstenen die naar de Aarde gebracht zijn in de Apollo periode (1969-1972) geven een duidelijk beeld: de verhoudingen van isotopen in de gesteenten op de Maan en de Aarde zijn quasi volledig gelijk. En dit geldt voor de verschillende onderzochte elementen: zuurstof (veruit het grootste deel van het gesteente), titanium, silicium, chroom, etc. Bijgevolg zijn er maar 2 mogelijkheden:
- Ofwel is Theia oorspronkelijk gevormd op dezelfde afstand als de Aarde ten opzichte van onze ster. Daardoor was de samenstelling – de elementen zowel als de isotopenverhoudingen – dezelfde in beide lichamen.
- Ofwel heeft de bosting met Theia beide lichamen volledig vernietigd tot een enorme puin- en gaswolk, waaruit later na grondige menging beide nieuwe lichamen ontstaan zijn.
Deze twee mogelijkheden zijn onderwerp van discussie in de wereld van het maanonderzoek, maar uiteindelijk zijn er meer aanwijzingen voor de eerste optie: Theia werd dicht bij ons gevormd, en heeft dus de orbit van de Aarde gevolgd op een zekere afstand. Simulatiemodellen van de grote botsing tonen aan dat de Maan grotendeels moet gevormd zijn met materie die oorspronkelijk van Theia kwam. In de Aarde daarentegen zou dan materie achtergebleven zijn die van oorsprong zowel van Theia als van de Aarde kwam. In dat geval zou je al een duidelijk isotopenverschil moeten zien.
Recenter onderzoek (University New Mexico & DLR Duitsland) heeft de maanstenen nog eens bekeken met hogere resolutie massaspectroscopie. hieruit bleek dat er toch wel wat verschillen in isotopensamenstelling was. De theorie kan echter overeidn blijven als favoriet, alleen zou Theia dan toch oorspronkelijk op een lichtjes andere afstand van de Zon gevormd geweest zijn.
Kan de botsing niet veel krachtiger geweest zijn zodat beide oorspronkelijke planeten volledig vernield werden en één grote wolk van gemengd puin vormden? Deze theorie is minder waarschijnlijk, maar niet definitief ontkracht. Waarom minder waarschijnlijk? Dat heeft te maken met het impulsmoment (rotatie-impuls) dat het systeem Aarde-Maan vandaag heeft. Mocht het systeem ontstaan zijn door een frontale volle botsing tussen Theia en Aarde (nodig om het geheel om te zetten in één grote gemengde puinwolk), dan is het quasi onmogelijk om te eindigen met een systeem dat het huidige impulsmoment heeft. Modellen wijzen uit dat je dan een veel groter impulsmoment zou moeten hebben of dat je moet vertrekken vanuit (bijna) onmogelijke banen en snelheden van de oorspronkelijke betrokken planeten.
Ook een model met kleinere of grotere versies van Theia (dus kleiner of groter dan Mars-grootte) worden niet ondersteund door computersimulaties en leveren een systeem op met een groter impulsmoment dan we waarnemen. De simulaties geven bovendien aan dat een grotere Theia meer ijzer zou losgemaakt hebben uit de jonge Aarde, en dan zouden we dus meer ijzer in de Maan aantreffen.
De discussie hierover is echter niet finaal afgerond. Sommige recente studies laten zien dat de isotopenverhoudingen van sommige delen van de maanstenen toch meer afwijken van de Aarde dan eerder vastgesteld. In dat geval zou de botsingtheorie wel overeind kunnen blijven, maar dan is Theia mogelijk gevormd op een grotere afstand van de zon dan onze Aarde. Er zit niets anders op dan opnieuw naar de Maan te reizen om meer onderzoek van de gesteenten mogelijk te maken …
Is zulke botsing tussen twee planeten uniek?
Nee, dat is helemaal niet uniek. Wanneer het zonnestelsel zich pas vormde, moet er een gruwelijk biljartachtig tafereel geweest zijn. Vandaag kennen we 8 echte planeten in ons Zonnestelsel. Maar oorspronkelijk moeten er tientalle grote protoplaneten geweest zijn die dan ook heel gemakkelijk met elkaar in bortsing kwamen. Dergelijke gigantische botsingen hadden veel mogelijk effecten: protoplaneten die in de Zon terecht kwamen, die uit het zonnestelsel geslingerd werden, die elkaar verpulverden, of die elkaar ernstig veranderden. De terrestrische planeten die tot vandaag overgebleven zijn vertonen best wel verdachte eigenschappen:
- De Aarde heeft een uitzonderlijke grote Maan, en is 23° gekanteld ten opzichte van het ecliptica vlak (het vlak waarin de planeetbanen liggen). We kunnen het systeem Aarde-Maan genoeg in detail bestuderen, zodat we het hoger bechreven Theia-model kunnen onderbouwen.
- Mercurius heeft een verdacht grote ijzerkern, en een verdacht dunne mantel. Is dit misschien het resultaat van een grote botsing waarbij hij een belangrijk deel van de mantel verloren heeft?
- Venus is de enige planeet die in tegenwijzerzin draait (gezien vanuit de noordpool). Bovendien roteert ze abnormaal traag. Is dit misschien het resultaat van een grote botsing waarbij ze eigenlijk 180° is omgekanteld?
- Mars is ook gekanteld ten opzichte van de ecliptica. Bovendien heeft Mars een heel vreemde topografie. De ganse noordelijke helft ligt enkele km lager dan de zuidelijk helft. Is dit misschien het resultaat van een grote botsing waarbij noordelijk mantelmateriaal is weggeblazen?
Hierover hebben we echter geen bewijzen. Je kan allerlei hypothesen bedenken die zulke waarnemingen helpen verklaren, maar tot nader order blijft het grotendeels giswerk. Het zou zelfs kunnen dat bijvoorbeeld Mercurius de planeet was die ooit Mars geraakt heeft. Maar wat wel duidelijk is: het is onwaarschijnlijk dat al dat protoplaneten-geweld precies de eigenschappen heeft om te eindigen met een systeem zoals Aarde-Maan. Dat de tweeling Aarde en Theia ontstaan zijn in de leefbare zone rond onze ster, dat ze met de juiste snelheid en hoek gebotst zijn, Dat beide lichamen niet te groot en niet te klein waren, dat er geen andere grote botsingen nadien het systeem verstoord hebben, enz. We hebben weer maar eens geluk gehad.