Symulacje ujawniają, że zderzenie mogło uformować księżyc w ciągu zaledwie kilku godzin

Miliardy lat temu, wersja naszej Ziemi, która wygląda zupełnie inaczej niż ta, na której żyjemy obecnie, została uderzona przez obiekt wielkości Marsa, zwany Theia – i z tej kolizji powstał Księżyc. Jak dokładnie doszło do tego uformowania, jest naukową zagadką, którą badacze badają od dziesięcioleci, bez rozstrzygającej odpowiedzi.

Większość teorii twierdzi, że Księżyc uformował się z gruzów tej kolizji, koalescencji na orbicie w ciągu miesięcy lub lat. Nowa symulacja wysuwa inną teorię — Księżyc mógł uformować się natychmiast, w ciągu kilku godzin, gdy materiał z Ziemi i Theia został wystrzelony bezpośrednio na orbitę po zderzeniu.

„To otwiera zupełnie nowy zakres możliwych miejsc startowych dla ewolucji Księżyca”, powiedział Jacob Kegerreis, badacz postdoktorancki w NASA’s Ames Research Center w kalifornijskiej Dolinie Krzemowej i główny autor pracy na temat tych wyników opublikowanej w The Astrophysical Journal Letters. „Weszliśmy w ten projekt nie wiedząc dokładnie, jakie będą wyniki tych symulacji o wysokiej rozdzielczości. Tak więc, oprócz wielkiego otwieracza oczu, że standardowe rozdzielczości mogą dać mylące odpowiedzi, było to dodatkowo ekscytujące, że nowe wyniki mogą obejmować tantalisingly Moon-like satelitę na orbicie.”

Symulacje wykorzystane w tych badaniach są jednymi z najbardziej szczegółowych w swoim rodzaju, działającymi w najwyższej rozdzielczości spośród wszystkich symulacji prowadzonych w celu zbadania powstania Księżyca lub innych gigantycznych uderzeń. Ta dodatkowa moc obliczeniowa pokazała, że symulacje o niższej rozdzielczości mogą pominąć ważne aspekty tego typu zderzeń, pozwalając naukowcom dostrzec nowe zachowania w sposób, którego poprzednie badania po prostu nie mogły zobaczyć.

Zagadka historii planetarnej

Zrozumienie pochodzenia Księżyca wymaga wykorzystania tego, co wiemy o Księżycu – naszej wiedzy o jego masie, orbicie i dokładnej analizie próbek skał księżycowych – i wymyślenia scenariuszy, które mogłyby doprowadzić do tego, co widzimy dzisiaj.

Dotychczasowe teorie potrafiły dość dobrze wyjaśnić niektóre aspekty właściwości Księżyca, takie jak jego masa i orbita, ale z pewnymi poważnymi zastrzeżeniami. Jedną z nierozwiązanych zagadek było to, dlaczego skład Księżyca jest tak podobny do ziemskiego. Naukowcy mogą badać skład materiału na podstawie jego sygnatury izotopowej, chemicznej wskazówki, jak i gdzie obiekt powstał. Próbki księżycowe, które naukowcy mogli badać w laboratoriach, wykazują bardzo podobne sygnatury izotopowe do skał z Ziemi, w przeciwieństwie do skał z Marsa czy innych miejsc w Układzie Słonecznym. To sprawia, że prawdopodobne jest, że duża część materiału, z którego zbudowany jest Księżyc, pierwotnie pochodziła z Ziemi.

W poprzednich scenariuszach, w których Theia rozpylała się na orbicie i mieszała z niewielką ilością materiału z Ziemi, jest mniej prawdopodobne, że zobaczylibyśmy tak silne podobieństwa – chyba, że Theia była również izotopowo podobna do Ziemi, co jest mało prawdopodobnym zbiegiem okoliczności. W tej teorii więcej materiału z Ziemi zostało użyte do stworzenia Księżyca, szczególnie jego zewnętrznych warstw, co mogłoby pomóc w wyjaśnieniu tego podobieństwa w składzie.

Istnieją inne teorie proponowane w celu wyjaśnienia tych podobieństw w składzie, takie jak model synestii – gdzie Księżyc został uformowany wewnątrz wiru wyparowanych skał z kolizji – ale te prawdopodobnie mają problemy z wyjaśnieniem obecnej orbity Księżyca.

Szybsza, jednoetapowa teoria formacji oferuje czystsze i bardziej eleganckie wyjaśnienie obu tych kwestii. Może również dać nowe sposoby na znalezienie odpowiedzi na inne nierozwiązane zagadki. Ten scenariusz może umieścić Księżyc na szerokiej orbicie z wnętrzem, które nie jest w pełni stopione, potencjalnie wyjaśniając właściwości takie jak nachylona orbita Księżyca i cienka skorupa – co czyni go jednym z najbardziej kuszących wyjaśnień pochodzenia Księżyca.

Zbliżenie się do potwierdzenia, która z tych teorii jest poprawna, będzie wymagało analizy przyszłych próbek księżycowych przywiezionych na Ziemię do badań z przyszłych misji Artemis NASA. W miarę jak naukowcy uzyskają dostęp do próbek z innych części Księżyca i z głębszych miejsc pod jego powierzchnią, będą mogli porównać, jak rzeczywiste dane pasują do tych symulowanych scenariuszy i co one wskazują na to, jak Księżyc ewoluował przez miliardy lat swojej historii.

Wspólne pochodzenie

Poza tym, że po prostu dowiadujemy się więcej o Księżycu, badania te mogą przybliżyć nas do zrozumienia, w jaki sposób nasza Ziemia stała się światem niosącym życie, którym jest dzisiaj.

„Im więcej dowiadujemy się o tym, jak powstał Księżyc, tym więcej odkrywamy o ewolucji naszej własnej Ziemi” – powiedział Vincent Eke, badacz z Durham University i współautor pracy. „Ich historie są splecione — i mogą znaleźć echo w historiach innych planet zmienionych przez podobne lub bardzo różne kolizje”.

Kosmos jest wypełniony kolizjami — uderzenia są istotną częścią tego, jak tworzą się i ewoluują ciała planetarne. Na Ziemi wiemy, że zderzenie z Theią i inne zmiany w całej jej historii są częścią tego, jak była ona w stanie zgromadzić materiały niezbędne do życia. Im lepiej naukowcy potrafią symulować i analizować to, co dzieje się podczas takich zderzeń, tym lepiej jesteśmy przygotowani do zrozumienia, jak planeta może ewoluować, by stać się zdatna do zamieszkania, tak jak nasza Ziemia.

Badania te są wynikiem współpracy pomiędzy Ames i Durham University, wspieranej przez grupę badawczą Institute for Computational Cosmology’s Planetary Giant Impact Research. Symulacje zostały przeprowadzone przy użyciu otwartego kodu SWIFT (SPH with Inter-Dependent Fine-grained Tasking), przeprowadzonego w usłudze DiRAC (Distributed Research Utilizing Advanced Computing) Memory Intensive („COSMA”), hostowanej przez Durham University w imieniu DiRAC High-Performance Computing facility.

Źródło: NASA/Ames Research Center. Frank Tavares