Theia

Kuu syntyikin nokkakolarin seurauksena

Ma, 02/01/2016 - 18:15 By Markus Hotakainen
Kuun syntytörmäys

Yksi Apollo-lentojen tulos oli, että kaikki Kuun syntyä koskevat teoriat menivät romukoppaan. Kuusta tuotujen kivinäytteiden ja niiden kemiallisen koostumuksen avulla kehiteltiin nykyisin vallitseva teoria, jonka mukaan Kuu syntyi valtaisan kosmisen kolarin tuloksena.

Noin 100 miljoonaa vuotta Maan muotoutumisen jälkeen siihen osui Marsin kokoluokkaa ollut kappale, jolle on annettu nimeksi Theia. Tähän asti on arveltu, että osuma ei ollut napakymppi, vaan pienempi kappale iskeytyi Maahan vähintään 45 asteen kulmassa. 

Nyt tutkijat ovat päätyneet tulokseen, että kappaleet törmäsivät sittenkin suoraan toisiinsa. Nokkakolaria ehdottivat ensimmäiseksi vuonna 2012 Matija Ćuk, Sarah Stewart ja Robin Canup, mutta nyt siitä on saatu uutta näyttöä.

Asiaa selvitettiin tutkimalla samaisia kiviä, joiden koostumus johti alkujaankin törmäysteoriaan. Ratkaiseva tekijä on Maan ja Kuun kivien hyvin samanlainen, liki identtinen kemiallinen kokoonpano. 

Analysoitavana oli seitsemän kuukiveä, jotka tuotiin Maahan Apollo 12, 15 ja 17 -lennoilta, sekä kuusi vulkaanista kiveä, jotka ovat peräisin Maan vaippakerroksesta; viisi Havaijilta ja yksi Arizonasta.

Paul Warren (kuvassa vasemmalla), Edward Young ja Issaku Kohl keskittyivät tutkimuksessaan kivien mineraaleihin sitoutuneeseen happeen. Yli 99,9 prosenttia Maassa esiintyvästä hapesta on isotooppia O-16 eli sen ytimessä on kahdeksan protonia ja kahdeksan neutronia. Mukana on kuitenkin pieni määrä raskaampia isotooppeja O-17 ja O-18, joissa on yksi tai kaksi ylimääräistä neutronia.

 

 

Jokaisella Aurinkokunnan kappaleella on sille ominainen isotooppisuhde. Paitsi Kuulla. Vuonna 2014 saksalaiset tutkijat tulivat siihen tulokseen, että Kuun isotooppisuhde poikkeaa Maan vastaavastta, mutta uuden tutkimuksen mukaan näin ei olekaan. 

"Emme havainneet minkäänlaista eroa Maan ja Kuun isotooppisuhteiden välillä; ne ovat täsmälleen samanlaiset", toteaa tutkimusta johtanut Young.

Hänen mukaansa Maan ja Kuun kivien identtisyys on ratkaiseva tekijä. Jos Maa ja Theia olisivat törmänneet toisiinsa viistossa kulmassa, suurin osa Kuusta olisi muodostunut Theian aineksesta. Silloin Maan ja Kuun happi-isotooppisuhteet olisivat keskenään erilaiset. Nokkakolarin tuloksena hapen kemialliset sormenjäljet ovat samanlaiset.

"Theian aine sekoittui kokonaan sekä Maahan että syntyneeseen Kuuhun, ja jakautui tasaisesti niiden kesken. Se selittää, miksi emme havaitse Theiasta erilaisia jälkiä Kuussa ja Maassa", Young perustelee.

Theiastakin olisi muotoutunut todennäköisesti planeetta, ellei se olisi iskeytynyt Maahan. Young on sitä mieltä, että se oli kooltaan samaa luokkaa kuin Maa, vaikka monien mielestä se oli selvästi pienempi. 

Kysymysmerkiksi jää edelleen Maan veden kohtalo. On mahdollista, että törmäyksen seurauksena Maan silloinen vesi katosi kokonaan ja nykyiset varannot ovat peräisin myöhemmin Maahan iskeytyneistä asteroideista, kenties myös komeetoista. Uusi tutkimus ei tuo tähän selvyyttä.

Tutkimuksesta kerrottiin UCLA:n (University of California, Los Angeles) uutissivuilla ja se on julkaistu Science-tiedelehdessä (maksullinen).

Kuvat: William K. Hartmann [taiteilijan näkemys]; Christelle Snow/UCLA

 

Kuun synty, osa 2: Salaperäinen Theia

To, 04/09/2015 - 23:47 By Markus Hotakainen

Maan ja Kuun koostumusten samankaltaisuuteen on esitetty toinenkin selitys kuin eilisessä uutisessamme esitellyssä tutkimuksessa. Alessandra Mastrobuono-Battistin johtamassa tutkimuksessa tarkasteltiin tietokonemallinnusten avulla erilaisia versioita törmäyksestä, jonka seurauksena Kuu syntyi. Tulosten perusteella näyttää siltä, että suurin osa Kuuksi kasautuneesta aineesta oli törmänneestä Theia-planeetasta ja vain vähäinen määrä on peräisin Maasta.

Tämän teorian kannalta Maan ja Kuun samankaltaisuus muodostaa entistä suuremman ongelman, sillä jopa lähimmät naapurimme Kuun jälkeen – Venus, Mars ja asteroidit – poikkeavat koostumukseltaan selvästi Maasta. Jos Theia on peräisin kauempaa Aurinkokunnasta, Kuun koostumuksen pitäisi olla tyystin toisenlainen kuin Maan.

Mallinnusten mukaan planeetat ja niihin törmäävät pienemmät kappaleet ovat usein koostumukseltaan samankaltaisia, koska ne ovat muotoutuneet samanlaisessa ympäristössä. Mastrobuono-Battistin johtama ryhmä ehdottaakin ongelman ratkaisuksi sitä, että Theia ei olekaan lähtöisin jostain Aurinkokunnan kaukaisesta kolkasta, vaan melko läheltä Maata. Siksi Theian ja Maan koostumukset muistuttivat toisiaan – ja siksi myös Kuu on koostumukseltaan hyvin samanlainen kuin Maa.

"Koska Theia ja Maa muotoutuivat samalla alueella, niihin kertyi samanlaista ainetta. Samoilla seuduilla syntyminen johti lopulta myös niiden keskinäiseen törmäykseen", Mastrobuono-Battisti selittää.

Tutkimus julkaistiin Nature-tiedelehdessä 9. huhtikuuta.

Kuva: Kööpenhaminan yliopisto

 

 

Volframi varmisti Kuun synnyn

To, 04/09/2015 - 21:51 By Markus Hotakainen

Kun Apollo-astronautit valmistautuivat yli 40 vuotta sitten vuosisadan seikkailuun, Kuun syntyteorioita oli tarjolla peräti kolme.

Evoluutioteorian kehittäjän poika George Darwin esitti 1870-luvun lopulla fissioteorian: Kuu oli alkujaan ollut osa Maata. Nuori Maa olisi pyörinyt niin vinhasti, että siitä repeytyi irti Kuun kokoinen möhkäle, joka jäi kiertämään runneltua planeettaa. Muistona muinaisesta mullistuksesta olisi Tyyni valtameri.

1900-luvun alussa Thomas See esitti sieppausteorian. Sen mukaan Kuu olisi syntynyt muualla Aurinkokunnassa ja joutunut myöhemmin Maan kaappaamaksi. Kuu olisi voinut muotoutua myös samasta kaasu- ja pölypilven pyörteestä kuin Maa, joten ne olisivat olleet alunperinkin "kaksoisplaneetta". Kuun kasautumisteoriaa kehitti esimerkiksi aviopari Viktor Safronov ja Evgeniya Ruskol 1950- ja 1960-luvuilla.

Kun Kotka sitten laskeutui Kuuhun ja Maahan saatiin viideltä muultakin Apollo-lennolta yhteensä nelisensataa kiloa kiviä, kävi ilmeiseksi, että mikään näistä teorioista ei pitänyt kutiaan. Tarvittiin ihan uusia ideoita.

William Hartmann ja Donald Davis sekä toisaalla William Ward ja Alastair Cameron kehittivät 1970-luvun puolivälissä mullistavan teorian: Kuu on syntynyt valtaisassa törmäyksessä.

 

 
Nykykäsityksen mukaan noin 150 miljoonaa vuotta Aurinkokunnan synnyn jälkeen Maahan törmäsi suunnilleen Marsin kokoinen planeetta-alkio. Kolarin vapauttama lämpö sulatti kappaleen ja osan Maastakin, ja avaruuteen sinkoutui valtaisa ainepilvi. Vähitellen se muodosti kolhiintuneen Maan ympärille renkaan, josta sitten kasautui Kuu.
 
Kuulostaa hyvältä. Teoria selittää Maa-Kuu-järjestelmän sekä Kuun itsensä ominaisuuksia, mutta ongelmana on ollut, että Maa ja Kuu muistuttavat koostumukseltaan liian tarkoin toisiaan.
 
Eri alkuaineiden runsauksissa ja erityisesti niiden isotooppien määrissä pitäisi olla eroja, sillä osan Maahan törmänneen Theia-planeetan aineesta olisi pitänyt päätyä Kuuhun. Ja kun edesmennyt Theia oli todennäköisesti muotoutunut kaukana Maan syntysijoilta, sen koostumus oli oletettavasti toisenlainen kuin matoisen Maamme.
 
Vallitsevan teorian onneksi erojakin löytyy, kun oikein kaivetaan. Marylandin yliopiston tutkijat tarkastelivat Richard Walkerin johdolla Apollo 16 -lennolta tuoduissa näytteissä (kuvassa alla) esiintyvän volframi-182-isotoopin runsauksia ja vertasivat niitä Maasta löytyvän volframin isotooppijakaumaan.

 

 

Kävi ilmi, että tätä volframin keveintä pysyvää isotooppia on Kuussa hieman enemmän kuin Maassa. Melkein tuplasti lyijyä raskaampi metalli tarjoaa tutkijoiden mukaan ratkaisun pitkäikäiseen arvoitukseen. Isotooppijakaumien ero selittäisi Maan ja Kuun samanlaisen koostumuksen.

Syynä kenties yllättävältä kuulostavaan päätelmään on se, että vielä Kuun synnyn jälkeenkin valtaisan iskun sinkoamaa kuonaa kertyi sekä Maahan että Kuuhun. Theian ja Maan välinen törmäys oli niin voimakas, että Theia höyrystyi kokonaan ja avaruuteen sinkoutunut ainepilvi sekoittui läpikotaisin ennen kuin siitä alkoi muotoutua Maan kiertolainen.

Myöhemmässä kertymässä on ollut runsaasti volframia, mutta vain suhteellisen vähän nyt tutkittua volframi-182-isotooppia. Kun Maalla on kookkaampana kappaleena suurempi vetovoima, tänne on kertynyt enemmän ainetta – ja enemmän muita, raskaampia volframin isotooppeja. Siksi isotoopin 182 suhteellisen osuuden pitäisi olla pienempi kuin Kuussa.

Tutkijoiden laskettua, minkä verran ainetta aikoinaan kertyi, volframin nykyisistä isotooppijakaumista on pääteltävissä, että alkujaan isotooppia 182 oli Maassa ja Kuussa täsmälleen yhtä paljon.

Kun Walkerin tutkijaryhmä vertasi Kuun ja Maan kiviä toisiinsa, Kuussa volframi-182-isotooppia on nykyisin suhteessa hivenen enemmän. Eli tulos on täsmälleen oikea, jos Maan vaipan ja Kuun koostumuksen oletetaan olleen heti Kuun synnyn jälkeen samanlainen. Ja kuten se edelleen näyttää olevan. Paitsi volframin osalta.

Tutkimuksesta kerrottiin Marylandin yliopiston uutissivulla ja se julkaistiin Nature-tiedelehden verkkoversiossa (maksullinen) 8. huhtikuuta.

Kuvat: NASA / JPL-Caltech / JSC