Kuun syntyteoria uusiksi – ainakin melkein

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.