Reusebotsingshipotese

Volgens die reusebotsingshipotese, soms die Theia-botsing genoem, het die Maan gevorm uit materiaal wat oorgebly het ná ’n groot botsing sowat 4,5 miljard jaar gelede tussen die Aarde en ’n ander hemelliggaam omtrent so groot soos Mars. Die hipotese is in 1946 deur die Kanadese geoloog Reginald Daly voorgestel. Daarvolgens het die protoplaneet Theia 'n wentelbaan met die Aarde gedeel voordat hulle gebots het. Die uitwerpingsmateriaal van die botsing het later geakkreseer om die Maan te vorm. Die protoplaneet is Theia gedoop;^[1]dit is genoem na 'n mitiese Griekse Titaan wat die moeder van Selene, die godin van die Maan, was.

’n Kunstenaarsvoorstelling van die botsing tussen die Aarde en "Theia" wat gelei het tot die vorming van die maan.

Die ontleding van maanrotse wat in ’n 2016-verslag gepubliseer is, dui daarop dat die botsing 'n direkte slag kon gewees het, wat fragmentasie en 'n deeglike vermenging van albei ouerliggame veroorsaak het. Die reusebotsingshipotese is tans die gunstelinghipotese onder sterrekundiges vir die vorming van die Maan. Bewyse wat dié hipotese ondersteun, sluit in:

• Die Maan se wentelbaan het 'n soortgelyke oriëntasie as die Aarde se rotasie, albei het 'n soortgelyke hoek tot die sonnebaan.
• Die stabiele isotoopverhoudings van maan- en aardrotse is identies, wat 'n gemeenskaplike oorsprong impliseer.
• Die Aarde-Maan-stelsel het 'n abnormaal hoë hoekmomentum, wat beteken dat die momentum van die Aarde se rotasie, die Maan se rotasie en die Maan se wentelbaan om die Aarde baie hoër is as dié van ander aardplanete. 'n Reusebotsing kon dié oortollige momentum verskaf het.
• Maanmonsters dui aan die Maan was eens tot 'n aansienlike, maar onbekende, diepte gesmelt. Dit sou baie meer energie vereis het as wat voorspel word vir die akkresie van 'n hemelliggaam met die Maan se grootte en massa. ’n Uiters energieke proses, soos ’n reusebotsing, kon dié energie verskaf het.
• Die Maan het 'n relatief klein ysterkern, en dus 'n baie laer digtheid as die Aarde. Rekenaarmodelle van 'n reusebotsing met 'n Marsgrootteliggaam dui daarop dat die botsende liggaam se kern waarskynlik diep in die Aarde sou dring en met sy eie kern sou saamsmelt. Dit sou veroorsaak dat die Maan, wat gevorm is uit die uitwerping van ligter kors- en mantelfragmente, minder metaalagtige yster oor het as ander planetêre liggame.
• Die Maan het minder vlugtige elemente as die Aarde. Dié elemente, wat by relatief lae temperature verdamp, kon verlore gegaan het in 'n hoë-energievoorval, met die Maan se kleiner swaartekrag wat hulle nie weer kon vasvang nie, terwyl die Aarde dit wel kon doen.
• Daar is bewyse van soortgelyke botsings in ander sterstelsels, wat tot puinskywe lei.
• Reusebotsings is in ooreenstemming met die leidende teorie oor die vorming en evolusie van die Sonnestelsel.

Tog bly verskeie vrae oor rakende die beste huidige modelle van die reusebotsingshipotese. Die energie van so 'n reusebotsing sou vermoedelik die Aarde verhit het om 'n wêreldwye magma-oseaan te skep, en daar bestaan bewyse van die gevolglike planetêre differensiasie van swaarder materiaal wat na die Aarde se mantel gesak het. Daar is egter geen geloofwaardige model wat met die reusebotsing begin en eindelik met die vorming van die Maan eindig nie.

Geskiedenis

In 1898 het George Darwin voorgestel die Aarde en Maan was eens 'n enkele liggaam. Darwin se hipotese was dat 'n gesmelte Maan van die Aarde weggeslinger is as gevolg van middelpuntvliedende kragte, en dit het die oorheersende akademiese verduideliking geword.^[2] Deur Newtonse meganika te gebruik, het hy bereken dat die Maan in die verlede baie nader aan die Aarde gewentel en geleidelik wegbeweeg het. Dié beweging is later bevestig deur Amerikaanse en Sowjet-eksperimente wat laserteikens op die Maan gebruik het.

Nietemin kon Darwin se berekenings nie die meganika oplos wat nodig was om die Maan terug na die oppervlak van die Aarde te herlei nie. In 1946 het Reginald Aldworth Daly van die Harvard-universiteit Darwin se verduideliking bevraagteken en dit aangepas deur voor te stel die Maan is deur 'n botsing eerder as deur middelpuntvliedende kragte gevorm.^[3] Min aandag is aan Daly se teorie gegee tot met 'n konferensie oor satelliete in 1974. Daar is die idee herstel en later in 1975 in die tydskrif Icarus gepubliseer en bespreek deur William K. Hartmann en Donald R. Davis. Hulle modelle het voorgestel dat verskeie satellietgrootteliggame aan die einde van die planeetvormingsperiode gevorm het en óf met planete gebots het óf deur hulle aangetrek is. Hulle het voorgestel dat een van dié liggame moontlik met die Aarde gebots het, wat stof uitgewerp het wat kon saamsmelt om die Maan te vorm. Dié botsing kon moontlik die unieke geologiese en geochemiese eienskappe van die Maan verduidelik.^[4]

’n Soortgelyke benadering is gevolg deur die Kanadese sterrekundige Alastair G.W. Cameron en die Amerikaanse sterrekundige William R. Ward, wat voorgestel het die Maan is gevorm deur die botsing van ’n liggaam so groot soos Mars teen die Aarde.

Agttien maande voor ’n konferensie in Oktober 1984 oor die oorsprong van die Maan het Bill Hartmann, Roger Phillips en Jeff Taylor medewetenskaplikes uitgedaag: "Julle het agttien maande. Gaan terug na julle Apollo-data, gaan terug na julle rekenaars en doen wat julle moet doen, maar besluit. Moenie na ons konferensie kom as julle niks te sê het oor die herkoms van die Maan nie."

Op die konferensie was die reusebotsingshipotese die gunsteling-verduideliking.

Voor die konferensie was daar ondersteuners van die drie "tradisionele" teorieë, plus ’n paar mense wat die reusebotsing ernstig begin opneem het en ’n groot groep apatiese mense wat nie gedink het die debat sou ooit opgelos word nie. Daarna was daar basies net twee groepe: die reusebotsingskamp en die niegelowiges.^[5]

Die godin Theia op die Groot Altaar van Pergamon.

Theia

Die hoofartikel vir hierdie afdeling is: Theia (planeet).

Die hipotetiese protoplaneet is genoem na die mitiese Griekse Titaan Theia wat die maangodin, Selene, gebaar het. Dié benaming is aanvanklik in 2000 voorgestel en aanvaar.^[1][6]

Volgens moderne teorieë oor planeetvorming was Theia deel van 'n bevolking van Marsgrootteliggame wat 4,5 miljard jaar gelede in die Sonnestelsel bestaan het.

Een van die beste eienskappe van die reusebotsingshipotese is dat die vorming van die Maan en die Aarde ooreenstem; tydens die vorming daarvan het die Aarde vermoedelik tientalle botsings met planeetgrootteliggame ondervind. Die maanvormende impak sou een van dié "reusebotsings" gewees het, maar beslis die laaste betekenisvolle een.

Die Groot Bombardement deur veel kleiner asteroïede kon eers heelwat later plaasgevind het: ongeveer 3,9 miljard jaar gelede.

Basiese model

Sterrekundiges dink die botsing tussen die Aarde en Theia het ongeveer 4,4 miljard tot 4,45 miljard jaar gelede plaasgevind; ongeveer 0,1 miljard jaar nadat die Sonnestelsel begin vorm het.

In sterrekundige terme sou die botsing 'n matige snelheid gehad het. Daar word vermoed Theia het die Aarde teen 'n skuins hoek getref toe die Aarde byna volledig gevorm was. Rekenaarsimulasies van dié scenario dui op 'n aanvanklike botsingspoed van minder as 4 km/s op 'n oneindige afstand (ver genoeg dat swaartekragaantrekking nie 'n faktor was nie), en dit het toegeneem tot meer as 9,3 km/s met die trefslag, teen 'n botsingshoek van sowat 45°.

'n Eenvoudige voorstelling van die reusebotsingshipotese.

Die suurstofisotoopinhoud in maanrots dui egter daarop dat daar 'n "kragtige vermenging" van Theia en die Aarde was, wat 'n steil botsingshoek aandui.^[7]

Rekenaarsimulasies dui daarop dat sowat 20% van Theia se oorspronklike massa ‘n akkresieskyf om die Aarde sou gevorm het, en ongeveer die helfte van dié materiaal het versmelt om die Maan te vorm. Die Aarde sou aansienlike hoeveelhede hoekmomentum en massa verkry het uit so ‘n botsing.^[8]

Nie al die ringmateriaal sou noodwendig onmiddellik opgebruik gewees het nie: Die verdikte kors aan die agterkant van die Maan dui op die moontlikheid dat ‘n tweede maan met ‘n deursnee van ongeveer 1 000 km by ‘n Lagrange-punt van die Maan gevorm het. Die kleiner maan kon tienmiljoene jare in ‘n wentelbaan gebly het. Terwyl die twee mane van die Aarde af wegbeweeg het, sou 'n songety-uitwerking die Lagrange-wentelbaan onstabiel gemaak het, wat uiteindelik sou gelei het tot ‘n stadige botsing wat die kleiner maan "platgedruk" het teen wat nou die agterkant van die Maan is.^[9][10]

Maanmagma kan nie deur die dik kors aan die agterkant van die Maan dring nie, wat veroorsaak dat daar minder maanseë is, terwyl die voorkant van die Maan 'n dun kors het wat die groot seë vertoon wat vanaf die Aarde sigbaar is.^[11]

Samestelling

In 2001 het 'n span by die Carnegie-instituut van Washington berig die rotse van die Apollo-program het 'n isotopiese samstelling wat identies is aan dié van rotse van die Aarde en verskil van dié van byna alle ander liggame in die Sonnestelsel.^[12]

Dié ooreenkoms in samestelling kan net aan die hand van die reusebotsingshipotese verduidelik word, aangesien dit uiters onwaarskynlik is dat twee liggame voor 'n botsing so 'n soortgelyke samestelling sou hê.

In 2014 het 'n span in Duitsland berig die Apollo-monsters het 'n effens ander isotopiese samestelling as aardrotse.^[13] Die verskil was gering, maar statisties beduidend. Een moontlike verklaring is dat Theia naby die Aarde gevorm het.^[14]

'n Simulasie van die vorming van die Maan ná 'n reusebotsing.

In 2007 het navorsers van Kalifornië gewys die moontlikheid dat Theia dieselfde isotopiese samestelling as die Aarde sou hê, is baie klein (minder as 1%).^[15] Hulle het voorgestel dat, in die nasleep van die botsing, terwyl die Aarde en die protomaanskyf gesmelt en verdamp was, die twee reservoirs verbind was deur 'n gemeenskaplike silikaatdampatmosfeer en dat die Aarde-Maan-stelsel gehomogeniseer is deur konvektiewe roering terwyl die stelsel in die vorm van 'n deurlopende vloeistof bestaan het. So 'n "ekwilibrasie" tussen die Aarde ná die botsing en die protomaanskyf is die enigste voorgestelde scenario wat die isotopiese ooreenkomste van die Apollo-rotse met aardrotse verduidelik. Vir dié scenario om lewensvatbaar te wees, sou die protomaanskyf egter ongeveer 100 jaar moes voortbestaan. Daar word steeds gewerk daaraan om vas te stel of dit moontlik is of nie.

Volgens navorsing in 2012 om die soortgelyke samestelling van die Aarde en die Maan te verduidelik, gebaseer op simulasies by die Universiteit van Bern deur die fisikus Andreas Reufer en sy kollegas, het Theia direk met die Aarde gebots in plaas daarvan om dit net skrams te tref. Die botsingsnelheid kon hoër gewees het as wat oorspronklik aanvaar is, en dié hoër snelheid kon Theia heeltemal vernietig het. Volgens dié wysiging is die samestelling van Theia nie so beperk nie, wat 'n samestelling van tot 50% waterys moontlik maak.^[16]

In 'n ander model van 2019 om die ooreenkoms tussen die Aarde en die Maan se samestelling te verduidelik, word voorgestel die Aarde was, kort nadat dit gevorm het, bedek met 'n see van warm magma, terwyl die impakvoorwerp waarskynlik uit soliede materiaal bestaan het. Modelle dui daarop dat dié scenario sou veroorsaak dat die impak die magma veel meer verhit het as die soliede materiaal van die impakvoorwerp, wat daartoe sou lei dat meer materiaal uit die Aarde uitgeskiet sou word. Gevolglik sou ongeveer 80% van die maanvormende puin van die Aarde afkomstig wees. Baie vorige modelle het voorgestel dat 80% van die Maan van die impakvoorwerp afkomstig was.^[17][18]

Bewyse

Indirekte bewyse vir die reusebotsingshipotese kom van rotse wat tydens die Apollo-maanlandings versamel is. Dit toon suurstofisotoopverhoudings wat byna identies is aan dié van aardrotse. Die samestelling van die maankors dui daarop dat 'n groot deel van die Maan eens gesmelt was, en 'n reusebotsing kon maklik die nodige energie verskaf het om so 'n magma-oseean te vorm. Verskeie bewyse dui daarop dat die Maan 'n klein ysterryke kern het, as hy een het. Die gemiddelde digtheid, traagheidsmoment, rotasiekenmerke en magnetiese induksierespons van die Maan dui alles daarop dat die radius van sy kern minder as ongeveer 25% van die Maan se radius is, in teenstelling met ongeveer 50% vir die meeste ander aardagtige liggame.

Dit lyk of die Maan hoofsaaklik uit die mantels van die Aarde en die botsingsvoorwerp bestaan, terwyl die kern van die botsingsvoorwerp in die Aarde opgeneem is.^[19] Die Aarde het die grootste digtheid van alle planete in die Sonnestelsel;^[20] die opname van die botsingsvoorwerp se kern verduidelik dié waarneming.

'n Vergelyking van die sinkisotoopsamestelling tussen maan- en aardmonsters verskaf verdere bewyse vir die botsingshipotese.^[21] Sink word sterk gefraksioneer wanneer dit in planetêre gesteentes verdamp,^[22][23] maar nie tydens normale stollingsprosesse nie;^[24] dus kan sinkhoeveelheid en isotoopsamestelling die twee geologiese prosesse van mekaar onderskei. Maanrotse bevat meer swaar isotope van sink en oor die algemeen minder sink as ooreenstemmende stollingsgesteentes van die Aarde of Mars, wat in ooreenstemming is met sink wat deur verdamping van die Maan uitgeput is, soos verwag kan word in die reusebotsingshipotese.^[21]

Op 1 November 2023 het wetenskaplikes berig oorblyfsels van Theia kan volgens rekenaarsimulasies steeds binne-in die Aarde sigbaar wees as twee reusagtige afwykings in die aardmantel.^[25][26]

Probleme met hipotese

Dié hipotese oor die oorsprong van die Maan het enkele probleme wat nog opgelos moet word. Die reusebotsingshipotese impliseer byvoorbeeld dat 'n magma-oseaan op die oppervlak van die Aarde sou gevorm het. Tog is daar geen bewyse dat die Aarde ooit so 'n magma-oseaan gehad het nie.^[27]

Samestelling

Verskeie ongerymdehde oor samestelling moet opgelos word.

• Die verhoudings van die Maan se vlugtige elemente word nie deur die reusebotsingshipotese verklaar nie. As die hipotese korrek is, moet dié verhoudings deur 'n ander oorsaak verklaar word.^[27]
• Die teenwoordigheid van vlugtige stowwe soos water wat in maanbasalte vasgevang is en koolstofvrystellings van die maanoppervlak af is moeilik om te verduidelik as die Maan deur 'n hoëtemperatuurbotsing gevorm is.^[28][29]
• Die ysteroksiedinhoud (13%) van die Maan, wat tussen dié van Mars (18%) en die Aarde se mantel (8%) lê, dui daarop dat die meeste van die protomaanmateriaal nie van die Aarde se mantel afkomstig is nie.^[30]
• As die meeste van die protomaanmateriaal van 'n botsende voorwerp afkomstig was, sou die Maan verryk moes gewees het in siderofiele elemente (oorgangsmetale wat tydens planetêre differensiasie neig om na die kern af te sak), terwyl die Maan in werklikheid 'n tekort daaraan het.^[31]
• Die Maan se suurstofisotoopverhoudings is feitlik identies aan dié van die Aarde.^[12] Suurstofisotoopverhoudings, wat baie akkuraat gemeet kan word, is 'n unieke en onderskeibare eienskap van elke liggaam in die Sonnestelsel.^[32] As die afsonderlike protoplaneet Theia bestaan het, sou dit waarskynlik 'n ander suurstof-isotoop-inhoud as die Aarde en die uitgewerpte materiaal gehad het.^[33]
• Die Maan se titaanisotoopverhouding (⁵⁰Ti / ⁴⁷Ti) is so naby aan dié van die Aarde (binne 4 dele per miljoen) dat min of geen massa van die botsende liggaam waarskynlik deel van die Maan kon gewees het nie.^[34][35]

Gebrek aan 'n Venusmaan

As die Maan deur so 'n botsing gevorm is, is dit moontlik dat ander binneplanete ook aan soortgelyke botsings onderwerp is. ’n Maan wat op dié manier om Venus gevorm het, sou onwaarskynlik ontsnap het. As so 'n maanvormende voorval daar plaasgevind het, kan ’n moontlike verduideliking vir die afwesigheid van ’n maan wees dat ’n tweede botsing plaasgevind het wat die hoekmomentum van die eerste botsing teengewerk het.^[36] ’n Ander moontlikheid is dat die sterk getykragte van die Son die wentelbane van mane om binneplanete sou destabiliseer. Daarom, as Venus se stadige rotasietempo vroeg in sy geskiedenis begin het, sou enige satelliete groter as 'n paar kilometer in deursnee waarskynlik na binne gespiraal en met Venus gebots het.^[37]

Simulasies van die chaotiese periode van die planeetvorming van die Aarde dui daarop dat botsings soortgelyk aan die een wat vermoedelik die Maan gevorm het, algemeen was. Vir tipiese aardplanete met 'n massa van 0,5 tot 1 aardmassa, sal so 'n bosting gewoonlik lei tot 'n enkele maan wat 4% van die gasheerplaneet se massa bevat. Die helling van so 'n maan se wentelbaan is lukraak, maar dit beïnvloed die daaropvolgende dinamiese evolusie van die stelsel. Sommige wentelbane kan byvoorbeeld veroorsaak dat die maan terug in die planeet spiraal. Net so sal die nabyheid van die planeet aan die ster ook die wentelbaanontwikkeling beïnvloed. Die uitwerking daarvan is dat dit waarskynliker is dat botsinggegenereerde mane oorleef wanneer hulle om verder geleë aardplanete wentel en in lyn met die planetêre wentelbaan is.^[38]

Moontlike oorsprong van Theia

Een voorgestelde pad van die botsing, gesien van die Aarde se Suidpool af (nie volgens skaal nie).

In 2004 het die wiskundige Edward Belbruno en die astrofisikus J. Richard Gott III van die Princeton-universiteit voorgestel Theia het by die L4- of L5-Lagrange-punt van die Aarde gelê (in ongeveer dieselfde wentelbaan en sowat 60° voor of agter die Aarde),^[39][40] soortgelyk aan 'n Trojaanse asteroïed.^[41]

Tweedimensionele rekenaarmodelle dui daarop dat die stabiliteit van Theia se voorgestelde Trojaanse wentelbaan beïnvloed sou gewees het sodra sy groeiende massa 'n drempel van ongeveer 10% van die Aarde se massa (die massa van Mars) oorskry het.^[39] In dié scenario het swaartekragontwrigtings deur planetesimale veroorsaak dat Theia sy stabiele Lagrange-ligging verlaat het, en daaropvolgende wisselwerkings met die proto-Aarde het gelei tot 'n botsing tussen die twee liggame.^[39]

Daar is voorgestel ander beduidende voorwerpe kon deur die botsing geskep gewees het wat moontlik in ’n wentelbaan tussen die Aarde en die Maan kon gebly het en wat by die Lagrange-punte vasgevang is. Sulke voorwerpe kon vir tot 100 miljoen jaar binne die Aarde-Maan-stelsel gebly het, totdat swaartekragtrekkings van ander planete die stelsel genoeg gedestabiliseer het om die voorwerpe vry te stel.^[42] ’n Studie wat in 2011 gepubliseer is, het voorgestel dat ’n daaropvolgende botsing tussen die Maan en een van dié kleiner liggame die noemenswaardige verskille in fisiese eienskappe tussen die twee halfrondes van die Maan veroorsaak het.^[43] Dié botsing, soos deur simulasies ondersteun, sou teen ’n lae genoeg snelheid plaasgevind het om nie ’n krater te vorm nie; in plaas daarvan sou die materiaal van die kleiner liggaam versprei het oor die agterkant van die Maan, waar die kors dikker is.^[44]

In 2019 het ’n span van die Universiteit van Münster berig die molibdeenisotoopsamestelling in die Aarde se primitiewe mantel is afkomstig van die buitenste Sonnestelsel, wat ’n leidraad gee oor die oorsprong van water op Aarde. Een moontlike verklaring is dat Theia in die buitenste Sonnestelsel ontstaan het.^[45]

Ander hipoteses

Ander meganismes wat op verskeie tye voorgestel is vir die oorsprong van die Maan, is dat dit deur 'n middelpuntvliedende krag van die Aarde se gesmelte oppervlak weggeskiet is;^[2] dat dit elders gevorm en later deur die Aarde se swaartekragveld aangetrek is;^[46] of dat die Aarde en Maan terselfdertyd en op dieselfde plek uit dieselfde akkresieskyf gevorm het. Geen van dié hipoteses kan die hoë hoekmomentum van die Aarde-Maan-stelsel verklaar nie.^[8]

Nog 'n hipotese skryf die vorming van die Maan toe aan die botsing van 'n groot asteroïed met die Aarde, baie later as wat voorheen gedink is, wat die satelliet hoofsaaklik uit puin van die Aarde geskep het. Volgens dié hipotese het die Maan 60-140 miljoen jaar ná die vorming van die Sonnestelsel ontstaan (in vergelyking met die voorgestelde Theia-botsing van 4,5 miljard jaar gelede).^[47] Die asteroïedbotsing in dié scenario sou 'n magma-oseaan op die Aarde en die proto-Maan geskep het, met albei liggame wat 'n gemeenskaplike plasma-metaaldamp-atmosfeer gedeel het. Dié gedeelde metaaldamp-brug sou toegelaat het dat materiaal tussen die Aarde en proto-Maan uitgeruil word en tot 'n algemener samestelling in ewewig kom.^[48][49]

Nog 'n hipotese stel voor dat die Maan en die Aarde saam gevorm het, nie deur die botsing van eens afgeleë liggame nie. Dié model, wat in 2012 deur Robin M. Canup gepubliseer is, stel voor die Aarde en 'n maan het uit 'n massiewe botsing van twee planetêre liggame ontstaan, elk groter as Mars. Hulle het toe weer gebots om te vorm wat nou die Aarde genoem word.^[50][51] Ná die tweede botsing was die Aarde omring deur 'n skyf materiaal wat saamgekoek het om die Maan te vorm.^[51]

Die Aarde en Maan volgens skaal, 500 km per pieksel.

Sien ook

• Geskiedenis van die Aarde
• Geologiese tydskaal