آیا یک جرم غول پیکر با زمین برخورد کرد و ماه را تشکیل داد؟

تا زمانی که انسان‌ها آسمان شب را تماشا کرده‌اند، ما در مورد ماه تعجب کرده‌ایم و در مورد همه چیز از ظاهر بیگانه تا تأثیر آن بر پدیده‌های روی زمین مانند جزر و مد اقیانوس، ثبات آب و هوا و حتی ریتم طبیعی بسیاری از موجودات فکر می‌کنیم.

در میان بسیاری از سؤالات ما در مورد ماهواره طبیعی تنها زمین، یکی از آنها برجسته است: منشا ماه چیست و چه مدت به دور زمین می چرخد؟

امروزه، نظریه پیشرو در میان ستاره شناسان این است که در اعماق گذشته سیاره ما - شاید در حدود 100 میلیون سال اول تاریخ منظومه شمسی - زمین با جسمی به اندازه یک سیاره برخورد کرده و ماه را در مدت زمانی به وجود آورد که ممکن است تنها چند ساعت باشد. این رویداد پیشنهادی که به عنوان فرضیه برخورد غول‌پیکر شناخته می‌شود، شامل یک پیش سیاره فرضی به اندازه مریخ است که اخترشناسان Theia نام دارند. موادی که در اثر برخورد قدرتمند مورد بحث به مدار پرتاب می‌شوند، پس از آن انباشته می‌شوند و ماه را تشکیل می‌دهند که امروز مشاهده می‌کنیم.

چه می دانیم؟

فرضیه تولد یک منشا قمری

تکامل این راه حل خیره کننده برای یکی از ماندگارترین اسرار ماه به سال 1946 باز می گردد، زمانی که رجینالد آلدوورث دالی، زمین شناس یکی از اولین کسانی بود که پیشنهاد کرد که یک رویداد برخوردی ممکن است شکل گیری ماه را توضیح دهد.

قبل از دالی، دانشمندان به نظریه‌هایی متمایل بودند که میلیاردها سال پیش چرخش سریع زمین را شامل می‌شد، زمانی که هر روز ممکن است در یک زمان کمتر از 2 یا 3 ساعت طول بکشد. دهه‌ها بعد، در دهه 1970، محققان ویلیام هارتمن و دونالد دیویس مدل‌های خود را شامل برخورد اجرام بزرگ باقی مانده از شکل‌گیری سیاره‌ها، که می‌توانستند با سیارات جوان‌تر برخورد کنند، توسعه دادند.

با تکیه بر چنین ایده‌هایی، سایر محققان سناریوهای مشابهی را بین زمین اولیه و یک جسم به اندازه مریخ پیشنهاد کردند. در اوایل دهه بعد، این مفهوم در نهایت جایگاه خود را به عنوان فرآیند تشکیل ماه پیشرو در طی یک کنفرانس برجسته در کونا، هاوایی، در سال 1984 به دست آورد.

تصور می شود که ماه زمین زمانی تشکیل شده است که یک شی به اندازه مریخ به نام Theia بیش از 4.4 میلیارد سال پیش به زمین اولیه برخورد کرد و موادی را که بعدا در یک ماهواره بزرگ ترکیب شد، همانطور که در تصویر این هنرمند نشان داده شده است، منفجر کرد. (اعتبار تصویر: NASA/JPL-Caltech) شواهدی از برخورد در مقیاس سیاره ای

محبوبیت فرضیه ضربه غول پیکر را می توان به چندین خط شواهد حمایت از سناریوی ضربه نسبت داد. به عنوان مثال، محققان مدت‌هاست که نسبت‌های ایزوتوپ پایدار مشابه بین سنگ‌های ماه و سنگ‌های زمین را شناسایی کرده‌اند، که به شدت نشان‌دهنده ارتباط بین منشأ آنهاست.

علاوه بر این، تکانه (یا اسپین) زاویه ای غیرمعمول سیستم زمین-ماه، در مقایسه با مشاهدات سیارات سنگی دیگر، نیز می تواند به عنوان یکی از اثرات یک برخورد عظیم توضیح داده شود.

سرنخ های بیشتری را می توان در ترکیب ماه یافت که هسته آهنی نسبتا کوچک و چگالی کمتری را نشان می دهد. این برای اخترشناسان مهم است، زیرا یک برخورد غول‌پیکر فرضی می‌تواند شاهد ادغام هسته فلزی پیش سیاره مظنون Theia با فضای داخلی زمین جوان باشد - در همین حال، مواد گوشته و پوسته سبک‌تر از هر دو جهان جابجا شده و به مدار منفجر می‌شوند و در نهایت به شکل‌گیری ماه کمک می‌کنند.

شواهد مهم دیگر شامل کاهش نسبی مواد فرار (یک ماده شیمیایی که به راحتی در دمای اتاق به گاز یا بخار تبدیل می‌شود) در مواد ماه است، که دوباره نشان می‌دهد که ممکن است در طی یک رویداد بسیار پرانرژی از بین رفته باشد، ایده‌ای که بیشتر توسط شواهدی تأیید می‌شود که ماه اولیه زمانی دارای یک اقیانوس ماگمایی قابل‌توجه بوده است.

تصویری از سیستم جوان زمین-ماه. زمین اخیرا زمانی شکل گرفته بود که با یک پیش سیاره به نام Theia برخورد کرد که تقریبا سه برابر مریخ است. پسماندهای حاصل از برخورد به مدار زمین رفت و به سرعت به هم پیوستند و ماه را تشکیل دادند، احتمالا در عرض چند هزار سال. در ابتدا زمین و ماه بسیار نزدیکتر از هم اکنون بودند و سریعتر می چرخیدند. در این تصویر، آوارهای حاصل از برخورد همچنان بر هر دو جهان می بارند. (اعتبار تصویر: مارک گارلیک/کتابخانه عکس علمی/گتی ایماژ) چه چیزی ناشناخته باقی مانده است؟

تحقیقات جدید فرضیه Theia را گسترش می دهد

با این حال، چندین سؤال مهم باقی می‌ماند، از جمله اینکه چه شرایط دقیقی منجر به این برخورد شده است، و چگونه مواد سیاره‌ای حاصل از آن به شکلی که امروزه به نظر می‌رسد به ماه تبدیل شده است.

اخیرا، یک مطالعه جدید توسط آدین دنتون از مؤسسه تحقیقاتی جنوب غربی و همکارانش در آزمایشگاه قمری و سیاره‌ای دانشگاه آریزونا، چرخشی جدیدی بر فرضیه Theia ارائه کرده است که نشان می‌دهد ممکن است برخورد مشکوک باستانی به طور قابل توجهی تحت تأثیر گرما و قدرت فیزیکی دو جسم در حال برخورد بوده باشد.

یافته‌های این تیم برخی از دیدگاه‌های دیرینه درباره فرضیه ضربه غول‌پیکر را به چالش می‌کشد، در حالی که حمایت جدیدی از دیگران ارائه می‌کند. برای مثال، شبیه‌سازی‌های این تیم نشان داد که در حالی که برخی از ضربه‌ها منجر به ایجاد دیسکی از زباله‌ها می‌شود که بعدا در یک ماه ادغام می‌شود، در شرایط دیگر، شبیه‌سازی‌ها از این ایده پشتیبانی می‌کنند که ماه می‌توانست در مدت زمان بسیار کوتاهی - شاید در حدود پنج ساعت - شکل گرفته باشد.

با این حال، یکی از مسائل اولیه در تعیین شرایط دقیق فرضیه برخورد غول‌پیکر، بحث‌های جاری در مورد سن ماه است.

دکتر اریک آسفاوگ، استاد علوم سیاره‌ای در آزمایشگاه قمری و سیاره‌ای دانشگاه آریزونا و یکی از نویسندگان مطالعه جدید، می‌گوید: «مقابله بزرگی در مورد سن ماه وجود دارد.

در این عکس که خدمه Artemis II در طول سفر خود به اطراف ماه گرفته اند، زمین بر روی اندام خمیده ماه غروب می کند. (اعتبار تصویر: ناسا) در ایمیلی به Space، Asphaug برخی از مسائل ناشی از این موضوع را توضیح داد، زیرا برآوردهای کنونی زمان تشکیل ماه را حدودا 40 تا 120 میلیون سال پس از شکل‌گیری منظومه شمسی می‌دانند. به گفته Asphaug، که می‌گوید این زمان‌بندی می‌تواند پیامدهای مهمی برای مدل‌های تاثیر Theia داشته باشد، بخشی از مسئله در همین جا نهفته است.

Asphaug می‌گوید که اگر این برخورد زودتر اتفاق می‌افتد، به دلیل درجه حرارت بیشتر رادیوژنیک، تیا داغ‌تر می‌شد. در مقابل، ضربه بعدی به معنای تیا سردتر و قوی تر خواهد بود.

آسفاگ به اسپیس گفت: «فکر نمی‌کنم هنوز به اندازه‌ای نمی‌دانیم که ماه (و در نتیجه، زمین) به این طرف یا آن طرف شکل گرفته است. اما دانستن اینکه دما چگونه بر نتیجه تأثیر می گذارد، بعد جدیدی را برای مشاهده مشکل باز می کند، و این همیشه مفید است زیرا چارچوب مرجع ما را تغییر می دهد، مانند پیاده شدن از ماشین برای قدم زدن در اطراف.»

معمای قمری در زمان و مکان

برای محققانی مانند Asphaug، درک شکل گیری ماه مستلزم نگاه کردن به آن به عنوان چیزی بیش از یک رویداد در فضا، بلکه به عنوان یک رویداد در زمان است. انجام این کار امکان مقایسه بین سه معیار مختلف را فراهم می‌کند: فروپاشی ایزوتوپی، قدرت مواد وابسته به دما، و رکورد زمین‌شناسی زباله‌هایی که به سیارات دیگر برخورد می‌کنند - فرآیندی که از طریق آن او معتقد است که می‌توان محدودیت‌های سخت‌تری را دقیقا در زمانی که ممکن است برخورد ماه ایجاد کرده باشد، اعمال کرد.

آدین دنتون، نویسنده اصلی این مطالعه، همچنین بر معرفی مولفه زمانی که تحقیقات تیمش روی میز آورده است، تاکید کرد و در ایمیلی به اسپیس گفت که نتیجه برخورد ماه می‌تواند به طور قابل توجهی به زمان برخورد بستگی داشته باشد.

دنتون می‌نویسد: «پیش از این، دانشمندان عموما فرض می‌کردند که نتیجه برخورد بدون توجه به زمان وقوع آن یکسان خواهد بود. اما اکنون می‌دانیم که تأثیر دما بر ویژگی‌های مواد، که بر اساس سن و/یا سرد بودن زمین اولیه و تیا تعیین می‌شود، چیزها را به‌طور اساسی تغییر می‌دهد.»

با اتصال شبیه‌سازی‌های ضربه به داده‌های مربوط به رکورد ژئوشیمیایی ماه، و همچنین مدل‌های شکل‌گیری اولیه منظومه شمسی، دنتون فکر می‌کند که کار تیمش می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا نحوه و زمان شکل‌گیری ماه را بهتر محدود کنند.

راز ادامه دارد

دنتون می‌گوید در حال حاضر، از نظر سناریوی احتمالی - یک رویداد برخورد زودتر یا دیرتر - محتمل‌ترین سناریو ظاهر می‌شود، دنتون می‌گوید هنوز گفتن آن دشوار است.

دنتون به اسپیس گفت: «این بستگی به سناریوهای شکل‌گیری منظومه شمسی دارد.

دنتون گفت: "من به طور کلی طرفدار شکل‌گیری زودتر ماه، مطابق با مرحله ساخت سریع سیاره در منظومه شمسی هستم، اما ما نمی‌توانیم این احتمال را که ماه دیر شکل گرفته است را نادیده بگیریم."

در حالی که کار زیادی برای انجام باقی مانده است، دنتون و آسفاگ معتقدند که یافته های آنها به طور قابل توجهی به پیشبرد تلاش های فعلی برای حل برخی از سؤالات مربوط به فرضیه ضربه غول پیکر کمک می کند - که تعدادی از آنها اکنون برای سال ها باقی مانده اند.

با این حال، برای Asphaug، چنین سوالات طولانی ممکن است به سادگی بخشی از فرآیند علمی باشد.

Asphaug گفت: "علم راهی برای سرگردانی طولانی مدت دارد تا در نهایت همه چیز متمرکز شود."

من معتقدم که تا حدودی به لطف این کار، در دهه آینده این اتفاق خواهد افتاد.»