Luna s-ar fi putut forma aproape intactă, la doar câteva ore după ce Theia a lovit Pământul

Luna noastră, un satelit neobișnuit de masiv în raport cu planeta pe care o veghează, s-ar putea să nu se fi născut prin agregarea lentă a unui vast inel de moloz cosmic. În condițiile potrivite, ea a apărut ca o lume aproape complet formată la doar câteva ore după ce o altă protoplanetă s-a izbit catastrofal de tânărul Pământ.

Posibilitatea reiese din simulări noi, care adaugă un ingredient surprinzător de important unuia dintre cele mai cunoscute modele de coliziune din știința planetară: rezistența rocilor și a metalelor.

Cercetătorii de la Southwest Research Institute și de la Universitatea din Arizona, SUA, au descoperit că, dacă se ia în calcul rezistența fizică a proto-Pământului și a lui Theia, un corp de impact de dimensiunea lui Marte, consecințele coliziunii pot fi fundamental diferite. Rezultatele, publicate în revista de specialitate The Astrophysical Journal Letters, sugerează că temperatura lui Theia dinaintea impactului ar putea decide dacă Luna s-a format rapid, ca o rămășiță mare care a supraviețuit, sau treptat, din resturi aflate pe orbită.

„Am descoperit că geologia preexistentă a proto-Lunii de dimensiunea lui Marte contează”, a spus autoarea principală Adeene Denton, care a lucrat anterior la Laboratorul Lunar și Planetar al Universității din Arizona și se află în prezent la Southwest Research Institute.

Planete tratate ca picături de lichid: de ce au greșit vechile modele

Ipoteza impactului gigantic domină de decenii discuțiile despre originea Lunii. În versiunea canonică, un corp de aproximativ dimensiunea lui Marte a lovit oblic proto-Pământul, în urmă cu aproximativ 4,5 miliarde de ani.

Ciocnirea a aruncat material pe orbită. Acesta a format un disc protolunar fierbinte, din care, în cele din urmă, s-a acumulat Luna.

Multe simulări au tratat Pământul și Theia, în esență, ca pe niște fluide, pornind de la ideea că ciocnirea fusese suficient de energică pentru topire și vaporizare la scară masivă. În baza acestei ipoteze, rezistența internă a rocilor părea prea mică pentru a conta. Altfel spus, la energii atât de titanice, astrofizicienii presupuneau că rezistența mecanică a munților sau a straturilor de bazalt devine la fel de neglijabilă ca tensiunea de la suprafața unei picături de apă care se sparge de asfalt. Însă materia solidă are o memorie structurală pe care ecuațiile simplificate au ignorat-o.

„Deoarece coliziunea a fost considerată suficient de violentă pentru a topi și vaporiza porțiuni mari din Pământ și Theia, acele lucrări anterioare au presupus că este acceptabil să le aproximăm ca pe niște fluide. Pe baza noilor noastre rezultate, însă, considerăm că este momentul să reconsiderăm acest lucru”, a spus Erik Asphaug, cercetător la Universitatea din Arizona.

Denton și colegii ei au folosit simulări de hidrodinamică cu particule netezite (smoothed-particle hydrodynamics), în care au inclus o rezistență geologică dependentă de temperatură. Mantalele de rocă și nucleele metalice au primit o rezistență realistă la deformare, dar se puteau slăbi pe măsură ce temperatura se apropia de punctul de topire.

Când roca refuză să cedeze: secretul unei Theia incandescente

Simulările au pornit de la un proto-Pământ cu o masă de 0,877 mase terestre și de la o Theia de 0,133 mase terestre. Fiecare avea o manta de rocă și un nucleu de fier, iar ciocnirea avea loc la aproximativ 9 kilometri pe secundă (peste 32.000 km/h, de aproximativ 26 de ori viteza sunetului), în geometria canonică de impact la 45 de grade.

Apoi, cercetătorii au variat temperaturile dinaintea impactului.

Cele mai fierbinți modele au folosit temperaturi la suprafață de aproximativ 2.000 de kelvini, care au generat interioare fragile, dar aflate în mare parte sub punctul de topire. Simulările moderate au pornit de la aproximativ 800 de kelvini, iar corpurile mai reci și mai rezistente mecanic, de la aproximativ 400 de kelvini.

Diferențele au fost semnificative.

Fără rezistența materialului, coliziunea canonică la temperaturi ridicate s-a comportat în mare măsură ca în simulările anterioare. Pământul a acretat aproximativ 91% din Theia, iar o porțiune relativ mică de material a ajuns pe orbită, sub forma unui disc de resturi dominat de material topit.

Cu rezistența inclusă, aceeași coliziune s-a schimbat radical. Theia nu s-a dezintegrat pur și simplu: materialul ei care a ricoșat s-a divizat în componente mari, iar cuplurile gravitaționale au putut arunca rămășițele exterioare pe orbită.

După procesele ulterioare de dezgolire și deformare, simulările au lăsat în urmă un satelit masiv, rămas intact.

O proto-Lună în aproximativ 5 ore

Totul s-a petrecut remarcabil de repede. Satelitul a început să se separe pe orbită la aproximativ 5 ore după impact.

La început, partea exterioară a lui Theia a urmat o orbită apropiată și excentrică în jurul Pământului. Pe măsură ce material era smuls de pe ea și cădea spre interior, interacțiunile gravitaționale împingeau satelitul supraviețuitor tot mai departe. Cercetătorii au poreclit procesul „walking the dog” („plimbarea câinelui”). Metafora descrie modul în care fragmentul principal acționează asemenea unui stăpân ținut în lesă: pe măsură ce resturile mai mici cad spre Pământ, ele transferă moment cinetic corpului exterior, împingându-l pe o orbită mai înaltă și salvându-l de la o prăbușire fatală.

La finalul simulării la temperatură ridicată, corpul se stabilizase ca o proto-Lună, probabil topită, de aproximativ 1,78 mase lunare. Alte combinații apropiate de viteză și unghi de impact au produs sateliți cu mase mai apropiate de cea a Lunii reale. De exemplu, o coliziune la 45 de grade, cu o viteză de 1,05 ori viteza de evadare reciprocă, a lăsat un rest intact de aproximativ 1,46 mase lunare.

Aceste rezultate nu demonstrează că Luna reală s-a format intactă. Ele arată, în schimb, că formarea directă a unui satelit devine o posibilitate obișnuită odată ce rezistența geologică este luată în calcul, în anumite condiții de tip canonic.

Paradoxul lumilor înghețate: de ce o planetă prea rigidă sfârșește sfărâmată

Ar părea logic ca o Theia mai rece și mai rezistentă să aibă mai multe șanse să supraviețuiască intactă. Simulările au arătat ceva mai subtil.

Intuiția ne spune că un corp mai rece și mai dur ar trebui să reziste mai bine unui șoc. În mecanica coliziunilor cosmice se întâmplă însă exact contrariul: la aproximativ 400 de kelvini, Theia a rezistat atât de bine deformării încât o mare parte din ea a rămas intactă și, în cele din urmă, s-a ciocnit din nou cu Pământul. Rezultatul final a fost un disc de resturi substanțial, nu o Lună stabilă și intactă.

La aproximativ 800 de kelvini, impactul a produs temporar un satelit mai mic, de aproximativ 0,63 mase lunare. Acesta nu și-a putut menține orbita stabilă și a fost, până la urmă, sfâșiat de forțele de maree ale Pământului, alimentând un alt disc de resturi.

Theia fierbinte, aproape de punctul de topire, s-a aflat într-o poziție intermediară utilă. Era suficient de fragilă cât să se deformeze și să se despice, dar încă suficient de rezistentă cât un fragment major să rămână intact în timp ce interacțiunile gravitaționale îl plasau pe orbită.

„Pentru o Theia apropiată de punctul de topire, dar sub acesta, un solid fragil, identificăm o serie de scenarii în care Luna se formează direct ca un satelit intact”, concluzionează cercetătorii.

Temperatura, un posibil indiciu despre momentul coliziunii

Legătura dintre temperatură și rezistența structurală ar putea oferi o nouă cale de a investiga momentul în care a avut loc impactul care a dus la formarea Lunii.

În primele etape ale sistemului solar, protoplanetele erau mai fierbinți și, în general, s-au răcit cu timpul. Dacă impactul gigantic s-a produs relativ devreme, Theia ar fi putut fi încă suficient de fierbinte pentru ca satelitul să rămână intact, așa cum se vede în simulări.

Studiul subliniază că o Theia fierbinte, dar în mare parte solidă, ar putea fi compatibilă cu formarea Lunii la mai puțin de aproximativ 60 de milioane de ani după începutul formării sistemului solar. Un corp de impact mai rece s-ar potrivi cu cronologii ulterioare, de aproximativ 100 până la 150 de milioane de ani, și ar favoriza formarea Lunii dintr-un disc.

„Aceste rezultate noi, surprinzătoare și captivante, sugerează o potențială legătură între proprietățile fizice ale Lunii de astăzi, inclusiv, poate, conținutul său de substanțe volatile, și starea termică a Pământului și a lui Theia în momentul impactului gigant”, a declarat Robin Canup, de la Southwest Research Institute, care nu a participat la studiu.

Amprenta izotopică: enigma pe care niciun model n-o poate ocoli

Noile simulări nu rezolvă toate problemele ipotezei impactului gigantic.

În toate scenariile examinate, o mare parte din materialul care a devenit Luna provine tot de la Theia. Probele lunare au însă o asemănare izotopică izbitoare cu Pământul, ceea ce readuce în discuție o întrebare veche: de ce două lumi inițial separate ar fi produs un material aparent atât de asemănător?

O posibilitate este ca Pământul și Theia să se fi format în regiuni similare ale tânărului sistem solar. Alte modele propuse pentru formarea Lunii încearcă să obțină o amestecare mai intensă între cele două corpuri.

În schimb, noua lucrare modifică o presupunere mai fundamentală: cea despre coliziunea însăși. Impacturile de dimensiunea unei planete s-ar putea să nu fie guvernate doar de gravitație, presiune și curgerea fluidelor. Chiar și în ciocnirile catastrofale, rezistența geologică a unor lumi parțial solide poate influența ce supraviețuiește.

„Știm acum că starea geofizică a Pământului și a lui Theia joacă un rol fundamental în determinarea rezultatului coliziunii”, a declarat Namya Baijal, coautoare a studiului.

Istoria Lunii nu s-a scris doar prin unghiul și viteza cu care s-au izbit două lumi rătăcitoare, ci și prin starea lor intimă: cât de fierbinți, ductile sau rigide erau măruntaiele lor în acea zi fatidică. Fiecare privire aruncată discului selenar de pe cerul nopții este, în fond, contemplarea unei sculpturi gravitaționale finisate în doar câteva ore dramatice, la granița fragilă dintre piatră și lavă.

Merită să știe și alții asta?

Votează dacă ți-a plăcut articolul.

DA NU