|
Kuva Kun Wang. |
Kuun syntyteoriat[1] ottivat pitkän loikan, kun
1970-luvulla kaksi tutkimusryhmää[6] ehdotti Kuun syntyneen Maahan
törmänneen, lähes Marsin kokoisen kappaleen törmäyksessä. Teorioita tuki Kuun
suuri koko Maan suhteen. Myös Kuun kiertoaika sai selityksensä
törmäysteorialla, joita silloiset teoriat ei pystynyt selittämään. Niinpä
törmäysteoriasta tulikin johtava selitys Kuun synnylle.
Törmäysteoria joutui pienimuotoiseen kriisiin kun vuona 2001
tutkimukset osoittivat Maan ja Kuun isotooppikoostumuksen olevan identtiset. Tutkimuksessa
oli käytetty Apollo-lentojen mukanaan tuomia näytteitä Kuusta. Kolmen
happi-isotoopin[2] suhteellinen määrä oli samanlainen kuin Maassa.
Tutkijat pitivät tulosta erittäin outona, sillä
aurinkokunnan syntyaikana protoplanetaarisen[3] kiekon eri osissa
syntyneiden kappaleiden isotooppijakauma täytyi olla aivan erilainen. Näin ollen
törmäävän kappaleen mukanaan tuoma aines pitäisi näkyä Maasta poikkeavana
isotooppijakaumana Kuussa. Se mahdollisuus, että törmäävän kappaleen
isotooppijakauma olisi ollut täysin sama kuin Maassa, on äärimmäisen vähäinen.
Isotooppitutkimuksen valossa Kuun syntyteoria oli selkeästi
kriisissä. Tutkijat kuitenkin uskoivat, että tarkempi isotooppitutkimus
paljastaisi eroja, jotka vahvistaisivat törmäysteoriaa. Aiemmin tänä vuonna
(2016) julkaistiin kuitenkin entistä tarkempi tutkimus hapen isotooppijakaumasta.
Se osoitti isotooppijakauman edelleen olevan täysin identtinen molemmilla
kappaleilla. Tutkimustulos oli järkytys tutkijoille mutta se johti uusiin
ajatuksiin Kuun synnystä.
Aikaisemmat törmäysteoriat olettivat törmäyksen olleen
lähinnä hipaisu tai korkeintaan matalaenerginen, jossa törmäävän kappaleen ja
osittain Maan manttelit päätyivät avaruuteen ja kerääntyivät Kuuksi Rochen
rajan[4] yläpuolella. Tässä mallissa Kuun muodostanut aine oli
peräisin suurimmaksi osaksi (60–80 %) törmänneestä kappaleesta.
Isotooppitutkimusten mukaan selvästikään näin ei ollut ja tutkijat alkoivatkin puhua
”isotooppikriisistä”.
Vuonna 2007 ehdotettiin mallia, jonka mukaan törmäys olisi
ollut voimakkaampi, mutta edelleen matalaenerginen. Törmäys olisi muodostanut silikaateista
muodostuneen ilmakehän ja sulaneesta magmasta muodostunen kiekon maapallon
ympärille. Kiekon alkuperä olisi törmännyt kappale ja silikaatti-ilmakehä
suurimmaksi osaksi maapalosta peräisin. Teoria oli suhteellisen hyvä, mutta tietokonemallit
osoittivat, että eri alkuperäisten ainesten sekoittuminen toisiinsa ei kuitenkaan
ollut riittävän nopeaa selittämään isotooppijakaumaa, ennen kuin ilmakehä olisi
suurimmaksi osaksi pudonnut Maahan.
Uusi malli vuodelta 2015 osoitti, että törmäys olikin
korkeaenerginen ja sen seurauksena muodostui maapallon ympärille hyvin laaja (>500×
maapallon tilavuus) ja tiheä höyrystyneen aineen ilmakehä, josta Kuu tiivistyi.
Ilmakehä oli ”ylikriittinen fluidi”[5] jonka sekoittuminen oli hyvin
tehokasta. Tehokkaan sekoittumisen seurauksena Maahan pudonnut ja Kuun
muodostanut aines ovat koostumukseltaan samanlaisia – tai ainakin melkein.
Geokemisti Kunin Wang
(Washington University, St. Louis) ja geokemian professori Stein Jacobsen (Harvardin yliopisto) kehittivät vuonna 2015 uuden
isotooppitutkimusmenetelmän, joka antaa kymmenkertaisen tarkkuuden aikaisempiin
menetelmiin verrattuna.
Wang ja Jacobsen tutkivat menetelmällään kaliumin
isotooppijakaumaa Kuusta tuoduista kivinäytteistä ja vastaavia kivinäytteitä
Maasta. Tutkittavat isotoopit olivat
K-39 ja K-41, jotka ovat pysyviä ja niitä oli riittävästi näytteissä, jotta
tutkimus pystyttiin tekemään.
Tutkimus[7] osoitti, että K-41 määrä oli 0,4 promillea
suurempi Kuussa kuin Maassa. Wangin mukaan kaliumin sekoittuminen tällä tavoin
on mahdollista vain korkealämpötilaisessa höyryfaasissa Kuun muodostumisen
aikana. Raskaampi isotooppi (K-41) tiivistyy aavistuksen runsaampana kuin
kevyempi (K-39) isotooppi Kuun muodostaneeseen ainekseen. Laskelmat soittivat,
että tyhjiössä prosessi tuottaisi noin 1 promillen jakaumaeron mutta jos
tiivistyminen tapahtuisi 10 baarin (1 Mpa) paineessa, se hidastaisi erottumista
ja tuloksena olisi juuri havaittu jakauma. Tutkimustulos ei tue matalaenergistä
silikaatista muodostunutta ilmakehämallia, sillä se tuottaisi Kuuhun vähemmän
raskaampia isotooppeja kuin Maahan, ja se olisi vastoin havaintoja.
Huomautukset
[1] Ennen törmäysteorioita vallalla oli kolmekin eri
teoriaa: pisara-malli (fissio-teoria), sieppausteoria ja kaksoisplaneetta-malli. Pisara-mallissa
Kuun ajateltiin sinkoutuneen maapallosta hyvin nopean pyörimisen seurauksena. Irronnut
kappale olisi lähtöisin Tyynen valtameren alueelta (silloin ei vielä tiedetty
mitään laattatektoniikasta).
Sieppausteoriassa Maa olisi kaapannut lähelle tulleen kappaleen
ja kaksoisplaneetta-malli puolestaan ehdotti, että Maa ja Kuu olisivat
syntyneet toisiaan kiertäville radoille aurinkokunnan syntymisen yhteydessä.
Kaikki mallit sisälsivät niin paljon arvoituksiksi jääneitä kysymyksiä, että niitä ei pidetty kovinkaan vakavasti otettavina.
[2] Kaikilla alkuaineilla on isotooppeja, atomeja joiden
ytimien neutroniluku on erilainen. Ytimessä olevien protonien määrä kaikilla
saman aineen isotoopeilla on tietysti sama, koska se määrittää sen mistä aineesta
on kysymys. Osa isotoopeista on pysyviä ja osa radioaktiivisia, eli ne hajoavat
toisiksi aineiksi ennen pitkään, osa hyvin nopeasti ja osa hitaasti.
[3] Protoplanetaarinen kiekko on aurinkokunnan syntyvaiheena
aikainen ainekiekko vielä syntymässä olevan tähden ympärillä. Syntyvä tähti
lämmittää kiekkoa, joten tähden lähellä olevat osat ovat kuumempia kuin etäällä
olevat osat. Lämpötila ero saa aikaan kiekossa alkuainejakauman erilaistumista
siten, että tähden lähelle jää metalleja ja muita korkeaa höyrystymislämpötilaa
vaativia alkuaineita, kun taas etäälle tiivistyy helposti haihtuvia aineita
kuten kaasuja (vettä, hiilidioksidia jne.) Protoplanetaarisesta kiekosta
syntyivät aikanaan planeetat, joiden koostumus kuvastaa protoplanetaarisen
kiekon ainejakaumaa.
[4] Rochen raja on sellainen etäisyys kappaleesta
(esimerkiksi planeetta), jonka ulkopuolella Kuun syntymisen vaativa ainehiukkasten
ja kappaleiden kerääntyminen on mahdollista keskinäisen gravitaation vaikutuksesta. Rochen rajalla tällainen
kerääntymiskeskus hajoaa kappaleen gravitaation aiheuttaman vuorovesivoiman
vaikutuksesta. Rochen rajan sisäpuolella kerääntyminen ja yhdistyminen
pienemmistä kappaleista on mahdotonta.
[5] Fluidi on ainetta (riippumatta olomuodosta), jonka
rakenneosat (atomit tai molekyylit) voivat liikkua vapaasti toisistaan
riippumatta. Yleensä fluidin muodostuminen vaatii korkeaa painetta tai korkeaa
lämpötilaa. Ylikriittinen tässä yhteydessä viittaa törmäyksessä syntyneen fluidin äärimmäisenkorkeaan
lämpötilaan ja paineeseen.
[6] William Hartmann ja Donald Davis
(1975) sekä Alfred Cameron ja William Ward (1976) ehdottivat
Kuun syntyneen törmäyksessä. Teoriat saivat kannatusta suuremmassa määrin vasta
1980-luvulla, kun tietokoneet ja niihin ohjelmoidut mallit pystyivät
törmäysteorioiden olevan tieteellisesti päteviä.
[7] Tutkimus julkaistiin
12.9.2016 (on line) Nature-tiedejulkaisussa.