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.

Uutta tietoa Kuusta

Kuun kaksi eri puolta ovat
aivan erilaisia. Uusi tutkimus
kertoo miksi näin on.
Kuva NASA / Arizona State Univ.

Maapallon seuralainen, Kuu, on ollut jatkuvan tutkimuksen kohteena ainakin Galileon päivistä alkaen. Merkittävä harppaus tutkimuksissa saatiin, kun ensimmäiset miehitetyt lennot toivat mukanaan merkittävän määrän näytteitä kuunpinnalta. Kuusta on myös muitakin näytteitä olemassa, sillä maapallolle on tippunut sieltä peräisin olevia meteoriitteja. Ne ovat sinkoutuneet avaruuteen pienten tai hieman suurempien asteroidien törmäysten vaikutuksesta.

Kuu siis tunnetaan suhteellisen hyvin, mutta vielä on joitakin ja aivan perustavaa laatua olevia arvoituksia olemassa. Kesäkuun alkupuolella julkaistiin kolme uutta tutkimusta, joissa ainakin kahta arvoitusta on pystytty valottamaan jonkin verran: ensimmäinen näistä käsittelee Kuun syntyä ja toinen sitä, miksi Kuun meille näkyvä puoli poikkeaa tavattoman paljon toisesta puolesta.

Kuun on ajateltu syntyneen pian aurinkokunnan syntymisen jälkeen kahden suuren kappaleen törmätessä toisiinsa. Maa oli tietysti toisena osapuolena ja törmäävänä kappaleena oli nykyisen Marsin kokoinen Theia. Törmäävän kappaleen on ajateltu syntyneen protoplanetaarisessa kiekossa lähellä maapalloa. Syntypaikoilla on kuitenkin ollut pieni ero, sillä Theian isotooppikoostumus on poikennut jonkin verran maapallon koostumuksesta.

Daniel Herwartz’in (George August yliopisto, Göttingen, Saksa) johtama tutkimusryhmä julkaisi kesäkuun 6. päivänä Science-tiedejulkaisussa artikkelin tutkimuksistaan, jossa he olivat määrittäneet kuunäytteiden hapen isotooppipitoisuudet (¹⁶O, ¹⁷O ja ¹⁸O -isotoopit). Alkuun määritykset tehtiin maahan pudonneista meteoriiteista, mutta ne osoittautuivat liiaksi ”saastuneiksi” maassa olevan hapen isotooppien vaikutuksesta. Tutkimustyönkannalta onneksi he saivat näytteitä Apollo-lennoilta tuotetuista kivistä.

Aikaisemmin on tehty vastaavia määrityksiä, mutta niiden tuottamat tulokset eivät ole tuoneet esille alkuperäisten isotooppien suhteita riittävän tarkasti. Nyt Herwartzin tutkimusryhmä onnistui määrittämään eron, joka oli 12±3 ppm ¹⁷O:¹⁶O -suhteelle. Ero osoittaa kiistatta, että törmäys oli tapahtunut ja Theian kemiallista koostumusta pystyttiin jonkin verran selvittämään muun tutkimuksen ohella vaikka kappaleen kokoa tai tarkkaa syntymispaikkaa ei tiedetäkään.

Tutkimuksen valossa näyttäisi siltä, että jos ja kun maapallo on synnyttyään pyörinyt itsensä ympäri suhteellisen nopeasti, törmäävän kappaleen ei ole tarvinnut olla kovinkaan suuri. Näyttäisi siltä, että Kuun massasta noin 10 % on Theiasta peräisin.

___

Goldschmidt Geochemistry konfrensissa kesäkuussa esiteltiin tutkimus, jossa oli pyritty selvittelemään Maan ja Theian törmäyksen ajankohtaa. Tähän asti arviot ajankohdasta ovat olleet suhteellisen varovaisia ja jotkin laskelmat ovat antaneet aurinkokunnalle noin 100 miljoonan vuoden iän törmäyksen aikaan (4,47 miljardia vuotta sitten). Ranskalaiset tutkijat Guillaume Avice ja Bernard Marty (Lorraine yliopisto, Ranska) esittivät tutkimuksessaan, että törmäys olisi tapahtunut 60 miljoona vuotta aikaisemmin, siis noin 4,53 miljardia vuota sitten.

Törmäyksen ajankohdan määrittely perustui kvartsikiteiden sulkeutumien jalokaasupitoisuuksiin (Xe, Kr ja Ar). Kvartsinäytteet olivat peräisin Etelä-Afrikasta ja Australiasta ja tuloksia verrattiin meteoriiteista saatuihin näytteisiin. Meteorit ovat parhaassa tapauksessa säilyneet täysin muuttumattomina aurinkokunnan syntyajoilta asti ja antavat viitteitä siitä, millainen ensimmäinen ilmakehä maapallolla on ollut juuri törmäyksen ajankohtana.

___

Kolmas uusi tutkimus kertoo sen miksi Kuun meille kääntynyt puoli on erilainen kuin meistä pois kääntynyt puoli. Tämäkin juontaa juurensa Kuun syntyyn. Theian törmäyksen jälkeen avaruuteen singonnut aine kerääntyi hiljalleen yhteen muodostaen Kuun. Etäisyys ei kuitenkaan ollut nykyinen, vaan ainoastaan 5–10 % nykyisestä etäisyydestä, eli noin 20 000 – 40 000 km. Tältä etäisyydeltä molempiin kappaleisiin syntyneet vuorovesivoimat olivat hyvin suuret nykyiseen verrattuna, joten Kuun pyörimisliike lukkiutui hyvin nopeasti kiertoaikaan jo siinä vaiheessa kun Kuu oli kauttaaltaan vielä sulassa tilassa.

Kuun ja Maan kokoero on valtava. Lisäksi Kuun keskitiheys on maapallon keksitiheyttä pienempi, joten sillä oli hyvät edellytykset jäähtyä hyvin nopeasti. Jäähtyminen ei kuitenkaan tapahtunut samalla tavalla eri puolilla Kuuta, vaan Maasta poispäin oleva osa jäähtyi nopeammin. Maapalloon päin olevan osan jäähtymistä hidasti lämpösäteilyllään itse maapallo, jonka pintalämpötila oli vielä tässä vaiheessa noin 2 500 °C tietämillä. Vaikka se ei tunnu kovin korkealta lämpötilalta, Maan ja Kuun välinen lyhyt etäisyys tehosti Kuun pinnan hidasta jäähtymistä. Kuusta katsoen maapallo oli suunnilleen suhteessa yhtä suuri kuin mitä Jupiter näyttää nykyisin Ion radalta katsottuna. 

Kuun vastakkaisen puolen kuori on muodostunut keveistä alkuaineista kuten alumiinista ja sitä on siellä selvästi paksummasti kuin meille kääntyneellä puolella. Suuren asteroidipommituksen aikaan (noin 4,3–3,8 miljardia vuotta sitten) Kuuhun törmänneet isokokoiset asteroidit saivat aikaan satojen kilometrien kokoisia kraattereita, jotka maapallon puolella hiljalleen täyttyivät vielä sulassa tilassa olevasta kiviaineksesta. Kraattereihin tihkuva laava oli metallipitoista ja tummaa basalttia ja tästä syystä nykyisin ”merinä” tunnetut mare-alueet ovat selvästi erottuvia Kuun pinnalta. Vastaavaa laavan tihkumista Kuun vastakkaisella puolella ei esiintynyt.

Tämän tutkimuksen tekivät Arpita Roy, Jason Wright, ja Steinn Sigurdsson, kaikki Pen State yliopistosta ja artikkeli julkaistiin kesäkuun 9. päivänä Astrophysical Journal Letters -tiedejulkaisussa.