Tajemnica "odwróconej" geologii Księżyca. W końcu ją poznaliśmy

Według powszechnie przyjętej teorii, Księżyc powstał około 4,5 miliarda lat temu, kiedy niewielka planeta zderzyła się z młodą Ziemią. Siła uderzenia wyrzuciła w przestrzeń kosmiczną roztopioną lawę, która z czasem zastygła, tworząc naturalnego satelitę Ziemi. Jednak wiele szczegółów tej historii pozostaje nieznanych.

Nowe odkrycie naukowców z University of Arizona rzuca nowe światło na tę historię. Nasza wiedza na temat powstania Księżyca pochodzi głównie z analizy skał pobranych podczas misji Apollo oraz z modeli teoretycznych. Skały te zawierają nietypowo wysokie stężenie tytanu. Badania satelitarne wykazały, że te wulkaniczne, bogate w tytan skały są zlokalizowane głównie po stronie Księżyca zwróconej w kierunku Ziemi.

Przyczyna takiego rozkładu skał pozostawała dotąd tajemnicą. Naukowcy uważają, że na początku swojego istnienia Księżyc pokryty był oceanem magmy. Powoli ochładzając się i tężejąc, utworzył płaszcz i skorupę, którą obserwujemy dzisiaj.

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

Według modeli naukowych, głębiej położone osady miały utworzyć gęste minerały, takie jak ilmenit, zawierający duże ilości tytanu i żelaza. Jednak te minerały, będąc gęstsze od płaszcza, powinny znaleźć się w głębokich warstwach Księżyca, a nie na jego powierzchni. Eksperci wyjaśniają, że gęsty materiał osiadał coraz głębiej, mieszał się ze skałami płaszcza, roztopił się ponownie i powrócił na powierzchnię w postaci bogatych w tytan wyrzutów lawy.

Profesor Jeff Andrews, autor publikacji, która ukazała się w piśmie "Nature Geoscience", mówi: "Nasz Księżyc dosłownie wywrócił się na lewą stronę. Jednak niewiele fizycznych dowodów wskazywało na tę konkretną sekwencję wydarzeń, jaka zachodziła w czasie krytycznej fazie historii Księżyca. Rodziło to wiele dyskusji odnośnie szczegółów całego procesu".

Nie było na przykład wiadomo, czy materiały zawierające tytan zapadały się powoli w trakcie, gdy powstawały, czy w szybkim tempie, po stwardnieniu powierzchni Księżyca. Nie było też jasne, czy minerały te zapadały się globalnie, we wszystkich rejonach i potem wróciły na powierzchnię z jednej strony, czy może zapadały się podobnie, asymetrycznie. Badacze nie wiedzieli też, czy zapadały się jako jedno wielkie skupisko masy, czy wiele małych.

Adrien Broquet, jeden z naukowców, podkreśla: "Bez dowodów każdy może wybrać sobie swój ulubiony model. Każdy model jednak ma ważne konsekwencje z punktu widzenia geologicznej ewolucji Księżyca".

Wcześniejsza analiza opracowana przez jednego z autorów nowej publikacji - Nana Zhanga z Uniwersytetu Pekińskiego wskazała, że gęsty, bogaty w tytan materiał obecny pod skorupą najpierw wydostał się na powierzchnię na półkuli skierowanej w stronę Ziemi. Przyczyną tego było prawdopodobnie silne uderzenie w stronę przeciwną. Potem ten materiał miał zapaść się w głąb Księżyca w formacjach przypominających cienkie płyty opadające w dół, trochę jak woda w wodospadzie. Tuż pod skorupą miała jednak pozostać nieduża ilość tego materiału.

Model ten z dużą dokładnością zgadza się z nieregularnościami w polu grawitacyjnym Księżyca – podkreślają naukowcy.

W nowym badaniu naukowcy porównali symulacje zapadających się bogatych w ilmenit warstw z danymi o grawitacyjnych anomaliach uzyskanymi z satelity NASA GRAIL. Odkryli, że dane grawitacyjne okazały się pokrywać z wynikami symulacji oraz, że dane z GRAIL można wykorzystać do przewidzenia dystrybucji ilmenitu, który pozostał po tym, gdy większość tego materiału się zapadła.

Kierujący pracami Weigang Liang mówi: "Według naszych analiz modele i dane pokazują spójną historię. Materiał z ilmenitem przemieścił się na stronę skierowaną ku Ziemi i zapadł się do wnętrza w postaci kaskady cienkich płyt. Pozostały po tym pewne resztki, które powodują anomalnie w polu grawitacyjnym Księżyca rejestrowane przez GRAIL".

Analiza dostarcza również informacji o czasie wspomnianych wydarzeń. Liniowe anomalie grawitacyjne są przerywane największymi i najstarszymi kraterami uderzeniowymi, widocznymi na zwróconej ku Ziemi stronie. To oznacza, że musiały powstać wcześniej. Bogata w ilmenit warstwa zapadała się więc ponad 4,2 mld lat temu, co zgadza się też ze śladami wulkanicznymi.

Niezwykłości budowie Księżyca dodają inne struktury obecne na powierzchni. Profesor Jeff Andrews-Hanna, jeden z badaczy, mówi: "Księżyc jest fundamentalnie asymetryczny pod każdym względem". Naukowiec wyjaśnia, że widoczna z Ziemi strona, a szczególnie ciemny region znany jako Ocean Burz, jest położona wyraźniej niżej, ma cieńszą skorupę i jest silnie pokryta zastygłymi strumieniami lawy. Ma przy tym wysokie stężenie rzadkich pierwiastków, takich jak tytan i tor. Niewidoczna strona wyraźnie się pod tymi względami różni.

Nowy model wyjaśnia także i te różnice. Dr Liang mówi: "Nasza praca łączy wszystkie kropki między dowodami geofizycznymi odnośnie wewnętrznej struktury Księżyca i modelami komputerowymi jego ewolucji".

"Po raz pierwszy mamy fizyczne dowody pokazujące nam, co działo się we wnętrzu Księżyca podczas krytycznej fazy jego ewolucji. To naprawdę ekscytujące. Okazuje się, że najwcześniejsza jego historia jest zapisana pod powierzchnią i potrzebne były tylko odpowiednie modele, aby tę historię odkryć" – mówi prof. Andrews-Hanna.

"Kiedy w ramach misji Artemis na Księżycu wylądują astronauci, rozpocznie się nowa era jego eksploracji z udziałem ludzi. Zdobędziemy wtedy nowe zrozumienie naszego sąsiada, podobnie jak w czasach, kiedy wylądowali na nim astronauci Apollo" – dodaje dr Liang.