Nowa teoria tłumaczy jak Księżyc znalazł się tam gdzie jest teraz

dnia 02/11/2016
Zdjęcie Księżyca wykonane w czerwcu 2009 roku przez sondę Lunar Reconnaissance Orbiter. Źródło: NASA

Zdjęcie Księżyca wykonane w czerwcu 2009 roku przez sondę Lunar Reconnaissance Orbiter. Źródło: NASA

Nasz jedyny naturalny satelita jest dość nietypowym obiektem Układu Słonecznego. Teraz pojawiła się nowa teoria tłumacząca jego obecne położenie – teoria, która trochę zmienia  obecnie przyjmowaną teorię „wielkiego zderzenia”. Wyniki badań opublikowano 31 października w periodyku Nature.

Księżyc jest stosunkowo duży w porównaniu do planety, którą okrąża, a jego skład chemiczny jest niemal taki sam co skład chemiczny Ziemi (minus  część związków lotnych, które odparowały dawno temu). To właśnie te cechy odróżniają go od niemal każdego innego dużego obiektu Układu Słonecznego – mówi Sarah Stewart, profesor planetologii na University of California w Davis i jedna z autorek artykułu.

„Każdy duży obiekt w Układzie Słonecznym charakteryzuje się unikalnym składem chemicznym,” dodaje.

Książkowa teoria powstania Księżyca brzmi mniej więcej tak. W zaawansowanej fazie formowania Układu Słonecznego mieliśmy do czynienia z okresem „wielkich zderzeń”, w którym to gorące obiekty o rozmiarach planet często zderzały się ze sobą. Obiekt o rozmiarach Marsa otarł się o Ziemię, wyrzucając przy tym sporą ilość materii, z której czasem uformował się Księżyc. To zderzenie nadało moment pędu układowi Ziemia-Księżyc i sprawiło, że okres obrotu Ziemi wokół własnej osi wynosił 5 godzin. Przez kolejne tysiąclecia Księżyc stopniowo oddalał się od Ziemi stopniowo spowalniając okres obrotu Ziemi do obecnych 24 godzin.

Naukowcy doszli do tych wniosków przyglądając się obecnej orbicie Księżyca, analizując  tempo przekazywania momentu pędu między oboma ciałami poprzez oddziaływania pływowe i stopniowo cofając się w przeszłość.

Jednak ta „książkowa” teoria ma kilka wad. Jedną  nich jest zaskakująco podobny do Ziemi skład chemiczny Księżyca. Druga z nich to kwestia orbity Księżyca. Jeżeli Księżyc uformował się z dysku materii rotującego w płaszczyźnie równika Ziemi, to powinien znajdować się na orbicie, której płaszczyzna także powinna pokrywać się z równikiem.

Sarah Steward, Matija Ćuk (SETI Institute w Mountain View), Douglas Hamilton (University of Maryland) oraz Simon Lock (Harvard University) opracowali wspólnie alternatywny model.

W modelu "wielkiego zderzenia" młody Księżyc rozpoczął swoje życie na orbicie pokrywającej się z płaszczyzną równikową Ziemi. W standardowym wariancie tego modelu (górne okno) nachylenie Ziemi miało wartość zbliżoną do dzisiejszych 23.5 stopni. Księżyc płynnie oddalał się od Ziemi, a jego orbita z płaszczyzny równikowej stopniowo przechodziła w płaszczyznę ekliptyki zdefiniowaną przez orbitę Ziemi wokół Słońca. Jeżeli jednak Ziemia charakteryzowała się dużo większym nachyleniem po zderzeniu (np. 75 stopni), to zmiana płaszczyzny orbity Księżyca byłaby dużo bardziej gwałtowna i charakteryzowałaby się oscylacjami wokół płaszczyzny ekliptyki. Drugi panel jest zgodny z obecnym nachyleniem orbity Księżyca o 5 stopni od ekliptyki. Źródło: Douglas Hamilton.

W modelu „wielkiego zderzenia” młody Księżyc rozpoczął swoje życie na orbicie pokrywającej się z płaszczyzną równikową Ziemi. W standardowym wariancie tego modelu (górne okno) nachylenie Ziemi miało wartość zbliżoną do dzisiejszych 23.5 stopni. Księżyc płynnie oddalał się od Ziemi, a jego orbita z płaszczyzny równikowej stopniowo przechodziła w płaszczyznę ekliptyki zdefiniowaną przez orbitę Ziemi wokół Słońca. Jeżeli jednak Ziemia charakteryzowała się dużo większym nachyleniem po zderzeniu (np. 75 stopni), to zmiana płaszczyzny orbity Księżyca byłaby dużo bardziej gwałtowna i charakteryzowałaby się oscylacjami wokół płaszczyzny ekliptyki. Drugi panel jest zgodny z obecnym nachyleniem orbity Księżyca o 5 stopni od ekliptyki. Źródło: Douglas Hamilton.

W 2012 roku Ćuk i Stewart zaproponowali, że część momentu pędu w układzie Ziemia-Księżyc mogła zostać przekazana do układu Ziemia-Słońce.  Taka teoria uwzględnia możliwość dużo bardziej energetycznej kolizji na początku całego procesu.

W nowym modelu, dużo bardziej energetyczna kolizja doprowadziła do powstania stopionej masy materii, z której uformowały się Ziemia i Księżyc. Początkowo Ziemia rotowała z okresem 2 godzin, a oś jej rotacji skierowana była ku Słońcu.

Z uwagi na fakt, że w kolizji wyzwoliło się dużo więcej energii niż w obecnie przyjmowanym modelu, materia Ziemi jak i impaktora wymieszałaby się ze sobą – co mogłoby tłumaczyć identyczny skład chemiczny obu ciał, które z tej materii powstały.

Wraz z rozpraszaniem momentu pędu poprzez oddziaływania pływowe, Księżyc stopniowo oddalał się od Ziemi do momentu, w którym osiągnął punkt zwany przejściem na płaszczyznę Laplace’a, kiedy to siła oddziaływania Ziemi na Księżyc ustępuje pola oddziaływaniu grawitacyjnemu ze strony Słońca. To właśnie wtedy część momentu pędu układu Ziemia-Księżyc została przeniesiona na układ Ziemia-Słońce.

Owa zmiana nie wpłynęła istotnie na orbitę Ziemi wokół Słońca, jednak wyprostowała jej oś rotacji. W tym punkcie modele stworzone przez zespół naukowców wskazują, że Księżyc krążył wokół Ziemi po orbicie bardzo nachylonej do płaszczyzny równika.

Przez kilkadziesiąt milionów lat Księżyc stopniowo oddalał się od Ziemi, aż dotarł do drugiego punktu – przejścia Cassiniego – gdzie nachylenie Księżyca – kąt między płaszczyzną orbity Księżyca, a płaszczyzną orbity Ziemi wokół Słońca zmniejszyło się do około 5 stopni obserwowanych do dzisiaj.

Źródło: UC Davis