De
oorsprong van de maan
Computersimulatie
toont gevolgen van apocalyptische impact - 16-08-2001
Sinds
het idee in de jaren ’70 voor het eerst gelanceerd werd, heeft de
hypothese dat de maan gevormd werd door een cataclystische botsing
van de aarde met een ander object alleen maar aan populariteit gewonnen.
Maar wie probeerde uit te rekenen hoe en wanneer deze aanvaring precies
had plaatsgevonden, bekwam nooit een resultaat dat alle vragen rond
het ontstaan van de maan kan beantwoorden. Met een nieuwe, bijzonder
gedetailleerde computersimulatie lijkt men eindelijk goed op weg de
theorie grondig te staven.
Dat de theorie die een reusachtig object verantwoordelijk houdt voor
het ontstaan van de maan pas in de zeventiger jaren werd geformuleerd,
heeft veel te maken met het eigenaardige karakter van onze naaste
buur. De combinatie aarde-maan is een rariteit, in ons zonnestelsel
heeft alleen Pluto een satelliet die zo groot is in vergelijking met
de moederplaneet. Alle andere leden van het zonnestelsel moeten het
met – naar verhouding – veel kleinere manen stellen. Verrassender
is nog dat de dichtheid van de maan zo laag is, wat erop wijst dat
onze eigen satelliet, in tegenstelling tot alle andere terrestrische
planeten, geen ijzeren kern heeft. Bovendien is op de maan precies
dezelfde zuurstofisotoop te vinden als op aarde, wat erop wijst dat
de maan gevormd werd door grondstoffen die zich minstens in de buurt
van de aarde moeten hebben opgehouden. Tenslotte moet niet alleen
een plausibel verhaal worden verzonnen, maar moet een ontstaanstheorie
van de maan ook de manier waarop deze zich vandaag rond de aarde beweegt
kunnen verklaren.
Toen een aantal wetenschappers in 1974 een ‘reusachtige impact’-theorie
aan hun collega’s voorstelden, hoorden zij tot hun verbazing dat ook
een ander team met dezelfde idee aan het spelen was. De route die
ze hadden genomen was verschillend: William Hartmann en Donald Davis
vertrokken van de veronderstelling dat de maan ten dele was gevormd
uit materiaal dat afkomstig is van de aardkost, terwijl A. Cameron
en William Ward van de draai-impuls van het aarde-maan systeem waren
uitgegaan. Hun conclusie was evenwel gelijk: ongeveer 4,5 miljard
jaar geleden, toen het vormingsproces van de aarde volop aan de gang
was, is een bijzonder groot object onzacht met de aarde in aanraking
gekomen.
De reusachtige impacttheorie sloeg dadelijk aan. Niet alleen omdat
een dergelijk cataclysme nu eenmaal tot de verbeelding spreekt, maar
ook omdat deze idee een groot aantal van de uitzonderlijke eigenschappen
van de maan kan verklaren. Bovendien is de laatste decennia het besef
gegroeid dat kosmische aanrijdingen allerminst een zeldzaam fenomeen
zijn en dat op het moment dat de planeten zich vormden heel wat grote
brokken puin kriskras door het zonnestelsel reisden. De alternatieve
theorieën leken plots een stuk minder aantrekkelijk.
Dat de maan gelijktijdig en uit hetzelfde materiaal als de aarde werd
gevormd lijkt bijvoorbeeld onwaarschijnlijk, aangezien de planeten
die uit vaste materie bestaan onveranderlijk een aanzienlijke hoeveelheid
ijzer bevatten. Bij de aarde is dit materiaal – vooral aanwezig in
de aardkern - goed voor 30% van de massa, terwijl ijzer maximaal 1%
van de massa van de maan uitmaakt. Een gelijktijdige vorming lijkt
dus onwaarschijnlijk. Een tweede hypothese, waarin verondersteld wordt
dat de maan elders was gevormd en vroeg of laat door de aarde gevangen
was, viel door de mand toen op de maan dezelfde zuurstofisotoop als
op aarde werd aangetroffen. En dan was er nog de hypothese dat de
aarde in haar begindagen zo snel om haar eigen as draaide, dat het
materiaal waaruit daarna de maan werd gevormd van onze planeet gerukt
werd. Er is echter geen enkele manier, rekening houdend met de natuurwetten
tenminste, dat daar een aarde-maan systeem zoals we dat vandaag kennen
uit tevoorschijn zou kunnen komen.
Een theorie opstellen is één ding, ze testen is nog wat anders. In
het geval van de reusachtige impacttheorie is het uiteraard weinig
haalbaar dat op een experimentele manier te doen en wachten tot men
elders in het universum een gelijkaardige aanvaring kan observeren
zou wel eens bijzonder lang kunnen duren. Er blijft dan ook maar één
optie over: computersimulaties. De rekenkracht die nodig is om te
voorspellen wat er gebeurt als twee reusachtige ruimteobjecten de
voorrangsregels niet respecteren is echter pas recent beschikbaar,
zodat eerder pogingen om de reusachtige impact digitaal te reconstrueren
erg rudimentair waren.
Bovendien leken de rudimentaire resultaten die met de eerste computermodellen
werden behaald weinig waarschijnlijke scenario’s op te leveren. Een
eerste model veronderstelde een inslag van een object met twee keer
de draai-impuls van het aarde-maan systeem en een grootte van ruwweg
drie keer die van Mars. Maar een dergelijke ramp kan niet verklaren
waarom aarde en maan aan het huidige tempo roteren, tenzij er een
tweede reusachtige impact wordt verondersteld.
Een tweede model leverde nog grotere problemen op. Bij deze klasse
simulaties wordt namelijk verondersteld dat de aarde een dreun kreeg
toen het vormingsproces nog lang niet voltooid was en de aarde pas
half zo groot was als vandaag. Dat betekent meteen ook dat de aarde
na de vorming van de maan nog dubbel zoveel ijzerrijk ruimtepuin verzamelde.
De maan zou dan echter ook haar deel van de koek moeten hebben gekregen,
een veronderstelling die wordt tegengesproken door – alweer - het
hinderlijk gebrek aan ijzer op onze satelliet.
Maar dankzij de ongebreidelde rekenkracht die vandaag kan worden aangeboord,
is Robin Canup, verbonden aan het Amerikaanse South West Research
Institute, er dan toch in geslaagd een computermodel te ontwikkelen
dat een beeld geeft van wat er 4,5 miljard jaar geleden bij benadering
gebeurd moet zijn. Daarbij werden de botsende planetaire objecten
als een groot aantal bolvormige deeltjes beschouwd, waarbij de thermodynamische
en gravitationele interacties van elk deeltje met zijn naaste buren
in rekening werd gebracht. In totaal werden deze gegevens voor meer
dan 20.000 deeltjes berekend, wat veruit de meest gedetailleerde simulatie
oplevert die tot vandaag werd opgesteld. De resultaten worden in het
vrijdag-nummer van Nature gepubliceerd.
Uit de simulatie – waarvan u de animatie hier
kan bekijken – blijkt dat de aarde geraakt werd door een object met
ongeveer de grootte van de planeet Mars. De inslag gebeurde op het
moment dat de aarde bijna volledig gevormd is en was een schampschot,
eerder dan een frontale botsing. De impact zorgt ervoor dat het momentum
wordt overgedragen op het volledige systeem. De aarde begint pas dan
rond haar as te draaien en ook de evenaar die we vandaag kennen wordt
pas op dat moment in de geschiedenis van de aarde bepaald. Door de
geweldige schok worden de buitenste lagen van beide lichamen de ruimte
ingeslingerd. Een deel daarvan verdampt, een ander deel vormt na 1
tot 100 jaar de maan en de rest komt opnieuw op aarde terecht. Daar
zijn ondertussen de ijzeren kernen van de vroege aarde en het object
dat er tegenop botste met elkaar versmolten.
Het model van Canup levert precies de resultaten op die nodig zijn
om de reusachtige impacttheorie te staven. Het eindresultaat is een
aarde-maan systeem zoals dat vandaag geobserveerd kan worden, het
ijzertekort van de maan en de overeenstemming van zuurstofisotopen
zijn een logisch gevolg en ook de baan die onze satelliet in werkelijkheid
rond de aarde maakt stemt overeen met wat in het digitale model kan
worden geobserveerd.
Toch is ook dit maar het begin, zeggen vakgenoten. Nog lang niet alle
interacties en fysische principes die gepaard gaan met een kosmische
botsing kunnen in een model worden inbegrepen, te meer omdat ook het
begrip van deze processen nog ontoereikend is. Het resultaat van Canup
zorgt er echter wel voor dat de reusachtige impacttheorie nog moeilijker
te negeren valt als de meest waarschijnlijke ontstaansgeschiedenis
van de maan.
David
de Vaal
Aansluitende artikels:
E.T.
bestaat! - 30-07-2001
Ijstijden
op de Rode Planeet – 27-07-2001
Nieuwe
wereld aan de rand van het zonnestelsel – 04-07-2001
Related links:
De
oorsprong van de maan
Verken
de maan
De
maan
Nature
South
West Research Institute
©
David de Vaal
