Jak powstało Morze Deszczów na Księżycu?

Rowki i pęknięcia związane z Morzem Deszczów na Księżycu od dawna zastanawiały naukowców. Nowe badania wskazują w jaki sposób powstały i wykorzystuje je do oszacowania rozmiarów impaktora Imbrium. Badania wskazują, że był on wystarczający, aby uważać go za protoplanetę. Źródło: NASA/Northeast Planetary Data Center/Brown University
Rowki i pęknięcia związane z Morzem Deszczów na Księżycu od dawna zastanawiały naukowców. Nowe badania wskazują w jaki sposób powstały i wykorzystuje je do oszacowania rozmiarów impaktora Imbrium. Badania wskazują, że był on wystarczający, aby uważać go za protoplanetę. Źródło: NASA/Northeast Planetary Data Center/Brown University

Około 3,8 miliardów lat temu, planetoida o średnicy ponad 250 kilometrów uderzyła w Księżyc i doprowadziła do powstania basen uderzeniowego Morza Deszczów (Mare Imbrium) – prawe oko Człowieka na Księżycu. Nowe szacunki dotyczące rozmiaru planetoidy, opublikowane w periodyku Nature wskazują, że obiekt, który uderzył w Księżyc miał dwa razy większą średnicę i nawet 10 razy większą masę niż wcześniej uważano.

„Wykazaliśmy, że Mare Imbrium powstało wskutek uderzenia absolutnie ogromnego obiektu, wystarczająco dużego, aby uważać go za protoplanetę,” mówi Pete Schultz, profesor nauk planetarnych na Brown University. „To pierwsze oszacowanie rozmiarów impaktora Imbrium opierające się w dużej mierze na formacjach geologicznych widzianych na Księżycu.”

Wcześniejsze szacunki bazowały jedynie na modelach komputerowych i wskazywały na impaktor o średnicy ok. 80 kilometrów.

Nowe wyniki umożliwiają wytłumaczenie niektórych zagadkowych formacji geologicznych otaczających Mare Imbrium. Co więcej, wyniki badań uzyskane przez naukowców – opierające się na rozmiarach innych basenów uderzeniowych na Księżycu, Marsie i Merkurym – wskazują, że wczesny Układ Słoneczny był pełen planetoid o rozmiarach protoplanet.

Mare Imbrium – widziany z Ziemi jako ciemna plama w północno-zachodniej części tarczy Księżyca – charakteryzuje się średnicą 1123 kilometrów. Ów basen otoczony jest przez rowki i uskoki wystarczająco duże, aby można było je dojrzeć za pomocą nawet małych teleskopów, stworzone przez głazy wyrzucone z krateru podczas zderzenia, w którym powstał. Owe formacje znane pod nazwą Imbrium Sculpture, promieniują z centrum basenu niczym szprychy w kole, jednak koncentrują się w południowo-wschodniej części basenu. To wskazuje, że impaktor uderzył w powierzchnię Księżyca z kierunku północno-zachodniego pod kątem ostrym.

Jednak oprócz tych formacji promieniujących z centrum basenu, na powierzchni można dostrzec drugi zestaw rowków o nieco innym ułożeniu.

Opierając się na eksperymentach przeprowadzonych na NASA Vertical Gun Range, naukowcy byli w stanie oszacować rozmiar planetoidy, która doprowadziła do powstania Mare Imbrium. Zdjęcia przedstawiają pękający impaktor już po uderzeniu w cylinder. W przypadku księżyca także fragmenty pękającego impaktora stworzyły rowki na powierzchni Księżyca. Ich trajektorie posłużyły do oszacowania rozmiarów impaktora. Źródło: Schultz Lab/Brown University
Opierając się na eksperymentach przeprowadzonych na NASA Vertical Gun Range, naukowcy byli w stanie oszacować rozmiar planetoidy, która doprowadziła do powstania Mare Imbrium. Zdjęcia przedstawiają pękający impaktor już po uderzeniu w cylinder. W przypadku księżyca także fragmenty pękającego impaktora stworzyły rowki na powierzchni Księżyca. Ich trajektorie posłużyły do oszacowania rozmiarów impaktora. Źródło: Schultz Lab/Brown University

„Ta druga grupa rowków była dla nas niezrozumiała,” mówi Schultz. „Nikt nie wiedział skąd ona się wzięła.”

Przeprowadzone w NASA Ames Research Center eksperymenty z wykorzystaniem Vertical Gun Range pozwoliły Schultzowi wykazać, że owe rowki najprawdopodobniej powstały wskutek uderzenia odłamków impaktora, które powstały w pierwszym kontakcie z powierzchnią Księżyca. Rowki powstałe wskutek uderzenia tych odłamków pozwoliły Schultzowi na oszacowanie rozmiarów impaktora.

Na Vertical Gun Range wykorzystuje się działo wystrzeliwujące pociski z prędkością 24 000 km/h oraz kamery zapisujące dynamikę pocisków. Podczas eksperymentów przy niskich kątach uderzenia Schultz zauważył, że impaktory ulegały dezintegracji po pierwszym kontakcie z powierzchnią. Odłamki impaktora podróżują dalej z dużą prędkością i tworzą kolejne rowki w powierzchni. „Najważniejsze jednak jest to, że te kolejne rowki nie promieniują bezpośrednio od krateru a od obszaru, w którym nastąpił pierwszy kontakt z powierzchnią. W naszych eksperymentach zauważyliśmy to samo zjawisko, które widzimy na Księżycu.”

Po zaobserwowaniu tego zjawiska w laboratorium Schultz wraz z Davidem Crawfordem z Sandia National Laboratories stworzyli modele komputerowe tych samych zjawisk fizycznych zachodzących w znacznie większej skali – w przypadku zderzenia z Księżycem.

Wiedząc w jaki sposób powstałe owe rowki, Schultz mógł wykorzystać tą wiedzę do znalezienia miejsca uderzenia impaktora Imbrium. Z uwagi na fakt, że z obu stron impaktora oderwałyby się mniejsze fragmenty, ich trajektorie mogły posłużyć do oszacowania jego rozmiarów.

Porównanie blizn stworzonych przez impaktor w eksperymencie (powyżej) z bliznami wygenerowanymi przez model komputerowy w przypadku planetoidy o średnicy 100 km (czerwony, poniżej). Źródło: Peter Schultz
Porównanie blizn stworzonych przez impaktor w eksperymencie (powyżej) z bliznami wygenerowanymi przez model komputerowy w przypadku planetoidy o średnicy 100 km (czerwony, poniżej). Źródło: Peter Schultz

Przeprowadzone obliczenia pozwoliły na oszacowanie średnicy impaktora na 250 kilometrów.

„Tak naprawdę to jest to niższe ograniczenie naszych szacunków. Możliwe, że planetoida miała średnicę nawet 300 kilometrów,” mówi Schultz.

Wraz ze swoimi współpracownikami, Schultz zaaplikował podobne metody do oszacowania rozmiarów impaktorów związanych z innymi basenami na Księżycu powstałymi wskutek zderzeń z innymi obiektami. W przypadku Morza Moskwy (Mare Moscoviense) oraz Morza Wschodniego (Mare Orientale) na niewidocznej stronie Księżyca, średnice impaktorów oceniono na odpowiednio 100 i 110 kilometrów.

Łącząc nowe szacunki z faktem występowania nawet większych basenów uderzeniowych na Księżycu i innych planetach, Schultz wnioskuje, że planetoidy o rozmiarach protoplanet mogły być powszechne na wczesnym etapie ewolucji Układu Słonecznego.

„Duże baseny uderzeniowe na Księżycu i innych ciałach niebieskich to pamiątka po utraconych olbrzymach,” mówi Schultz.

Przeprowadzone badania mają jednak także inne istotne implikacje. Fragmenty impaktorów, które przetrwały  lądowały nieco dalej na powierzchni Księżyca z czasem mieszając się z materią i skałami na powierzchni Księżyca. To może tłumaczyć dlaczego próbki przywiezione z Księżyca w ramach misji Apollo charakteryzowały się tak dużą zawartością materii meteorytowej. Szczególnie dużo takiej materii przywiozła na Ziemię misja Apollo 16, która lądowała nieopodal miejsca uderzenia impaktora Imbrium.

Trajektoria odłamków wyrzuconych z basenu uderzeniowego Imbrium na Księżycu. Źródło: Peter Schultz
Trajektoria odłamków wyrzuconych z basenu uderzeniowego Imbrium na Księżycu. Źródło: Peter Schultz

Co więcej, badania przeprowadzone przez Schultza wskazują, że fragmenty tych olbrzymów odpowiadają za wiele uderzeń, które miały miejsce w okresie zwanym Późnym Bombardowaniem jakieś 3,8-4 miliardów lat temu, gdy powstawała większość kraterów na powierzchni Księżyca i Merkurego.

Modele uderzenia opracowane przez Schultza i Crawforda wskazują, że tysiące odłamków, które oderwały się od impaktora Imbrium i innych uległyby fragmentacji i uciekłyby grawitacji Księżyca z czasem opadając na powierzchnię Księżyca i planet skalistych.

„Księżyc wciąż skrywa tajemnice, które mogą wpłynąć na naszą wiedzę o początkach Układu Słonecznego. Zaskakujące jak wiele wciąż możemy się dowiedzieć patrząc na powierzchnię Księżyca,” mówi Schultz.

Źródło: Brown University