Gigantikus égi ütközésből született a Hold

A jelenleg legelfogadottabb hipotézisek szerint a Hold a Földet ért óriás becsapódás következtében kidobott anyagból tömörülhetett össze

Két versengő elmélet van forgalomban a Hold keletkezésére: az egyik kisebb, a másik óriási erejű ütközéssel magyarázza a Hold anyagának kiszakadását az ősi Földből. A legmodernebb izotóp-mérések az utóbbit látszanak alátámasztani.

Amerikai kutatók a valaha végzett legpontosabb izotópösszetétel-elemzés alapján azt állítják, hogy a Hold egy olyan óriási energiájú ütközés nyomán keletkezett, amely úgy zúzta szét az ősi Földet, mint kőtörő kalapács a dinnyét.

Az ütközés hatására a becsapódó égitest is és a Föld köpenye is lényegében elpárolgott; a keletkező a sűrű gőz-olvadék elegy szétterjedve a mai Földénél 500-szor nagyobb térfogatot foglalt el. Ennek a szuperkritikus folyadéktulajdonsággal rendelkező atmoszférának a lehűlése során kondenzálódott a Hold anyaga – állítják a tudósok a Nature hasábjain.

Az óriásbecsapódás-elméletet eredetileg az 1970-es évek közepén két asztrofizikus-csoport egymástól függetlenül vetette fel. Az elképzelés – a Föld és egy Mars-méretű égitest nagyenergiájú ütközése – jól illeszkedett a megfigyelésekhez: égi kísérőnk ilyenforma eredete indokolná, miért ennyire szokatlanul nagy a mi holdunk a Földhöz képest, és megmagyarázná a Föld és a Hold tengely körüli forgási sebességeit is. Ezért az elmélet hamar általánosan elfogadottá vált az asztrofizikusok körében.

Így nézhetett ki a fiatal Hold Forrás: NASA/ GSFC

Váratlan eredmény

Ám 2001-ben tudósok egy csoportja új eredményeket hozott nyilvánosságra, amelyekből az derült ki, hogy a földi és holdi kőzetekben egy sor elem izotópösszetétele lényegében azonos.

Az Apollo-űrhajók által az 1970-es években a Földre szállított holdi kőzetminták alapos elemzése azt mutatta, hogy a Holdon az oxigén három stabil izotópja ugyanolyan eloszlást mutat, mint a földi anyagban.

Ez nagyon váratlan eredmény volt, ugyanis az óriásbecsapódás számszerű szimulációi alapján arra lehetett számítani, hogy a Hold anyaga mintegy 60-80 százalékban a becsapódó idegen égitestből, és nem a Földből származik.

Ugyanakkor jól ismert, hogy a Naprendszer eltérő részein kialakult égitestek eltérő izotópösszetétellel bírnak, olyannyira, hogy minden bolygó, sőt, minden meteorit anyaga azonosítható az eredetére egyedileg jellemző „izotóp-ujjlenyomat" alapján. Annak a valószínűsége, hogy az ős-Földbe becsapódó, a Naprendszer más tájairól idetévedt égitestnek véletlenségből épp a Földéhez hasonló volt az izotóp-mintázata, szinte a nullával egyenlő.

A Hold túlsó oldala az Apollo-16 által készített felvételen (1972) Forrás: Wikimedia Commons

Az óriásbecsapódás-elmélet tehát komoly léket kapott: hiába passzolt kitűnően a Föld-Hold rendszer számos fizikai és mechanikai sajátságához, az égitestek geokémiai hasonlóságát nem tudta magyarázni. A tudósok egy ideig abban reménykedtek, hogy a pontosabb izotópösszetétel-mérések majd kihúzzák a teóriát a csávából, de minél jobbak lettek a mérések, annál biztosabbnak tűnt az eredmény.

Az oxigén-izotópok legfrissebb és eddigi legpontosabb, 2016-ban publikált mérése szerint a földi és holdi anyag oxigénizotóp-összetétele megkülönböztethetetlen.

Egymással versengő elméletek

Így aztán elkerülhetetlenné vált az elmélet revíziója: a kutatók egyre-másra próbáltak olyan alternatív hipotézisekkel előállni, amelyek azt jósolták, hogy a Hold anyaga jórészt a proto-Földből és nem a becsapódó égitestből származik. Egy 2007-ben felvetett javaslat szerint az ütközés mérsékeltebb erejű volt, mint eredetileg feltételezték. E modellben a becsapódás utáni Föld és a becsapódó égitestből származó – majdan a Holdat alkotó – magmakorong körül szilikátgőzből álló atmoszféra alakulhatott ki, amely egy ideig még folyamatos anyagkicserélődést biztosított a Föld és a születő Hold között.

A feltételezés szerint ez magyarázatot adhatna az izotópösszetétel hasonlóságára. Az elmélet kritikusai azonban úgy vélekedtek, hogy a gőzatmoszférán keresztül történő anyagkicserélődés túlontúl lassú, és ha ez a forgatókönyv valósult volna is meg, az anyag még azelőtt visszahullott volna a Földre, hogy alaposan összekeveredhetett volna a Hold-koronggal.

Forrás: NASA

Ezért 2015-ben született egy újabb javaslat, amely megőrzi a régi elmélet azon elemét, miszerint a becsapódás rendkívül nagy erejű volt, olyannyira, hogy mind a becsapódó égitestet, mind a Föld teljes köpenyanyagát gőz formájában az űrbe dobta. Ebben a gőz-olvadék atmoszférában megvalósulhatott az érkező és a befogadó anyag teljes keveredése, s mivel a Föld újjáalakuló köpenye és a Hold is ebből az elegyből jött létre, a két égitest kőzeteinek izotópösszetétel-azonossága e modellből automatikusan adódik.

A köpenyatmoszféra szuperkritikus folyadékként viselkedhetett: e speciális halmazállapotban az anyag úgy áramlik át a szilárd testek résein, mint egy gáz, de úgy old más anyagokat, mint egy folyadék.

Az új eredmények

Bár a 2015-ben újragondolt óriásbecsapódás-elmélet komoly előnyöket mondhatott magáének, a 2007-es, kisebb energiájú ütközést feltételező modellt az idő szerint semmilyen kísérleti eredmény nem zárta ki, ezért mostanáig mindkét elmélet forgalomban maradt. Ebben hozott változást a Washingtoni Egyetemen dolgozó Kun Wang és a Harvard Egyetemen kutató Stein Jacobsen geokémikusok legfrissebb eredménye, amelyet a Nature folyóirat szeptemberi számában hoztak nyilvánosságra.

Wang és Jacobsen a tavalyi év során kidolgoztak egy olyan eljárást, amellyel a Föld és a Hold kőzeteiben is fellelhető káliumizotópok összetételét minden eddiginél pontosabban, a korábbi módszereknél 10-szer érzékenyebben meg tudják határozni. A káliumnak három stabil izotópja van, ám ezekből csak a 41-es és a 39-es tömegszámút tartalmazzák a kőzetek a méréshez elégséges mennyiségben. A kutatók több különböző Hold-misszió alkalmával gyűjtött összesen 7 holdkőzetben vizsgálták e káliumizotópok mennyiségét, s ezt vetették össze a Föld köpenyére nézve reprezentatív kőzetek megfelelő értékeivel. A mérések szerint a holdkőzetek 0.4 ezrelékkel dúsabbak a nehezebb, 41-es tömegszámú káliumizotópban, mint a földiek.

Forrás: AFP/NASA

Wang elmondása szerint egyetlen mechanizmus lehetett képes ezt az eltolódást produkálni:

ha a Hold keletkezése során a gőz-olvadék atmoszférából a nehezebb izotóp nagyobb arányban csapódott ki, mint a könnyebb.

A számítások ugyanakkor azt mutatják, hogy ha ez az egyenlőtlen kicsapódás vákuumban zajlott volna, a nehezebb izotópnak 100 ezrelékkel kellett volna feldúsulnia a Hold anyagában. Elméletükbe ezért azt a további feltételezést is beépítették, hogy a kondenzáció elég nagy, a földi tengerszinti atmoszférikus nyomás 10-szeresét (10 bar-t) is meghaladó nyomáson ment végbe.

Ám a megfigyelt csekély mértékű dúsulás is elegendő bizonyíték ahhoz, hogy a mérleg nyelvét a köpenyatmoszféra-modell javára billentse, ugyanis – érvel Wang és Jacobsen – a szilikátatmoszféra-modell jóslata szerint a holdi kőzeteknek a földieknél kevesebb nehéz káliumot kellene tartalmazniuk. A precíz mérés ennek épp az ellenkezőjét igazolta, ezért a kutatók immár meggyőzőnek ítélik az óriásbecsapódás-elmélet fölényét.