Krisis teori klasik tentang asal usul bulan

Puluhan tahun setelah para ilmuwan tampaknya setuju pada satu teori, bukti baru tentang kemungkinan cara penampilan Bulan tampaknya bertentangan dengannya.

Kesan artis tentang synaestia , objek hipotetis yang terdiri dari batu menguap yang mungkin telah melahirkan bulan

Pada 13 Desember 1972, astronot Apollo 17 Harrison Schmitt mendekati batu besar di Laut Ketenangan bulan. "Batu besar ini memiliki lintasan lurus dari bukit," katanya kepada komandannya, Eugene Cernan, menunjuk ke tanda yang ditinggalkan oleh batu yang berguling menuruni lereng. Cernan membungkuk untuk mengumpulkan sampel, dan menyarankan agar Schmitt membayangkan apa yang akan terjadi jika mereka menghalangi batu ini sebelum berguling dari lereng.

"Aku tidak ingin memikirkannya," kata Schmitt.

Astronot memotong potongan bulan dari batu besar. Kemudian, menggunakan penggaruk Schmitt, ia menggores permukaan yang berdebu, mengangkat batu, yang kemudian disebut troctolite 76536 dari regolith, dan membuatnya menjadi sejarah.

Batu ini dan saudara lelakinya yang besar akan menceritakan kisah tentang bagaimana seluruh bulan muncul. Dalam kisah penciptaan ini, dijelaskan dalam buku teks yang tak terhitung jumlahnya dan penjelasan tentang pameran museum selama empat dekade terakhir, Bulan dilahirkan dalam tabrakan yang menghancurkan Bumi germinal dan dunia berbatu seukuran Mars. Dunia kedua bernama Thea, untuk menghormati dewi Yunani yang melahirkan Selena, yaitu Bulan. Thea menghantam Bumi dengan kecepatan dan kekuatan sedemikian rupa sehingga kedua dunia meleleh. Sisa-sisa reruntuhan Thei telah mendingin dan mengeras, berubah menjadi teman perak kami.

Pengukuran modern troctolite 76536 dan batu-batu lain dari bulan dan Mars telah menimbulkan keraguan tentang kisah ini. Selama lima tahun terakhir, kesibukan penelitian telah mengungkapkan masalah: hipotesis kanonik pembentukan kejutan didasarkan pada asumsi yang tidak sesuai dengan fakta. Jika Thea menghantam Bumi, dan kemudian membentuk Bulan, maka Bulan harus terdiri dari bahan yang sama dengan Thea. Tetapi bulan tidak terlihat seperti Thea - atau seperti Mars. Hingga atom, hampir persis seperti Bumi.


Astronaut menggali batu di bulan

Setelah menemukan perbedaan ini, para peneliti Bulan mulai mencari ide-ide baru untuk memahami bagaimana itu muncul. Solusi yang paling jelas mungkin yang paling sederhana, meskipun itu menciptakan masalah lain dengan memahami tahap awal tata surya: mungkin Thea membentuk bulan, tetapi Thea terdiri dari bahan yang hampir identik dengan Bumi. Kemungkinan kedua - proses tabrakan mencampur semuanya dengan baik, merata benjolan dan cairan, seperti adonan untuk pancake. Ini bisa terjadi dalam tabrakan energi sangat tinggi, atau dalam serangkaian tabrakan yang melahirkan beberapa bulan yang bergabung bersama nanti. Penjelasan ketiga menimbulkan keraguan tentang apa yang kita ketahui tentang planet. Ada kemungkinan bahwa Bumi dan Bulan mengalami metamorfosis aneh dan membuat gerakan yang tidak biasa di orbit, yang secara dramatis mengubah rotasi dan masa depan mereka.

Empat cara untuk membuat bulan

Dengan munculnya masalah dalam teori dasar kemunculan bulan, para ilmuwan melemparkan teori baru tentang kemunculannya.

Model Formasi Dampak

Teori klasik ini, yang muncul pada tahun 1970-an, mengklaim bahwa batu bulat seukuran Mars, Thea, sedang memalu Bumi muda. Setelah tabrakan, sebuah disk puing muncul, yang kemudian bersatu ke bulan. Tetapi studi baru telah menemukan konflik: simulasi komputer menunjukkan bahwa bulan harus terdiri dari bahan yang mirip dengan materi Thea, dan studi geokimia bulan menunjukkan bahwa itu terdiri dari bahan yang mirip dengan bumi.

Synaestia

Mungkin Thea menghantam Bumi cukup keras sehingga kedua benda itu menguap dan membentuk struktur kosmik baru, sinestia. Awan berputar puing-puing panas dapat secara menyeluruh mencampur bahan Thei dan Bumi dan membuat sistem Bumi / Bulan dengan geokimia serupa.

Bulan-bulan kecil

Ada kemungkinan bahwa alih-alih satu pukulan serius, banyak yang relatif kecil terjadi, yang masing-masing menciptakan bulan. Dalam model ini, setiap tabrakan dengan objek seukuran bulan menciptakan disk puing, yang secara bertahap berkumpul di bulan kecil. Kemudian pukulan berikutnya menambahkan puing-puing, dan pada akhirnya mereka bergabung menjadi bulan besar.

Clash of twins

Mungkin alternatif paling sederhana adalah di mana Thea terdiri dari bahan yang sama dengan Bumi. Tetapi asumsi ini bertentangan dengan sebagian besar gagasan kami tentang pembentukan sistem planet.

* * *

Untuk memahami apa yang bisa terjadi pada hari paling berkesan di Bumi, Anda perlu memahami kaum muda tata surya. Empat setengah miliar tahun yang lalu, matahari dikelilingi oleh awan puing yang panas, seperti donat. Unsur-unsur yang dihasilkan di perut bintang bergerak mengelilingi Matahari yang baru terbentuk, mendinginkan, dan setelah zaman, menggabungkan - dalam proses yang belum jelas bagi kita - menjadi benjolan, kemudian ke planetesimal , kemudian ke planet yang lebih besar. Tubuh berbatu ini bertabrakan secara aktif dan keras, saling menguap. Di biliar neraka yang tangguh inilah Bumi dan Bulan muncul.

Untuk mendapatkan Bulan saat ini, dengan ukuran, rotasi, dan kecepatan pelariannya dari Bumi, menurut model komputer terbaik kami, perlu bahwa sebuah benda seukuran Mars bertabrakan dengan Bumi. Apa pun yang lebih besar atau lebih kecil akan mengarah pada munculnya sistem dengan momentum sudut yang besar. Tubuh yang lebih besar juga akan melemparkan terlalu banyak zat besi ke orbit Bumi, dan membuat bulan lebih kaya zat besi dari pada kita.

Momentum sudut adalah kuantitas yang menggambarkan gerakan dan massa objek yang berputar atau sistem objek yang berputar: Bumi yang berputar, Bulan yang berputar, yang mengorbit Bumi yang berputar, dan sebagainya. Momen impuls selalu dipertahankan, yaitu, bisa diperoleh atau hilang hanya dengan intervensi kekuatan ketiga.

Studi geokimia awal troctolite 76536 dan batu lainnya mendukung cerita ini. Mereka menunjukkan bahwa batu-batu bulan seharusnya muncul di lautan magma bulan, yang hanya dapat diciptakan oleh formasi benturan. Troctolite akan jatuh ke lautan yang meleleh seperti gunung es yang memisahkan diri dari Antartika. Berdasarkan keterbatasan fisik, para ilmuwan mengklaim bahwa bulan terdiri dari sisa-sisa Thea. Tapi ada masalah.

Kembali ke tata surya awal. Setelah tabrakan dan penguapan dunia bebatuan, isinya bercampur, dan akhirnya tenang di area ruang tertentu. Lebih dekat ke matahari, di mana lebih panas, unsur-unsur cahaya lebih cenderung menguap, meninggalkan kelebihan isotop berat (varian elemen yang mengandung neutron tambahan). Lebih jauh dari matahari, batu-batu itu berhasil menampung lebih banyak air dan cahaya isotop. Oleh karena itu, para ilmuwan dapat mempelajari campuran isotop dari suatu objek dan menentukan bagian mana dari tata surya itu berasal, sama seperti penekanannya memberikan tanah air orang tersebut.


Sarah Stewart, Ahli Planetologi dari Universitas California, Davis dan muridnya Simon Locke dari Universitas Harvard

Perbedaan ini sangat jelas sehingga mereka digunakan untuk mengklasifikasikan planet dan jenis meteorit. Mars, misalnya, sangat berbeda dari Bumi sehingga meteoritnya dapat ditentukan hanya dengan mengukur rasio tiga isotop oksigen yang berbeda.

Pada tahun 2001, menggunakan teknologi spektrometri massa canggih, para ilmuwan Swiss mengukur kembali troctolite 76536 dan 30 sampel bulan lainnya. Mereka menemukan bahwa isotop oksigen mereka tidak dapat dibedakan dari yang terestrial. Sejak itu, ahli geokimia telah mempelajari titanium, tungsten, kromium, rubidium, kalium dan logam langka lainnya di Bumi dan Bulan, dan secara umum semuanya terlihat sama.

Ini berita buruk bagi Thei. Jika Mars sangat berbeda dari Bumi, maka Thea - dan karena itu bulan - juga harus berbeda. Jika mereka sama, itu berarti bahwa bulan seharusnya terbentuk dari fragmen-fragmen cair Bumi. Batu dari Apollo bertentangan dengan apa yang dikatakan fisika.

“Model kanonik berada dalam krisis serius,” kata Sarah Stuart, ilmuwan planet di University of California, Davis. "Dia belum terbunuh, tetapi saat ini dia tidak bekerja."

* * *

Stuart mencoba mendamaikan keterbatasan fisik - kebutuhan tubuh bertubrukan dengan ukuran tertentu, bergerak dengan kecepatan tertentu - dengan bukti geokimia baru. Pada 2012, ia dan Matija uk, saat ini bekerja di SETI, mengusulkan model fisik baru untuk pembentukan bulan. Mereka mengklaim bahwa Bumi purba berotasi dengan cepat seperti seorang darwis , membuat satu revolusi dalam dua hingga tiga jam ketika Thea bertabrakan dengannya. Tabrakan itu seharusnya menyebabkan munculnya cakram di sekitar Bumi, mirip dengan cincin Saturnus - tetapi itu akan bertahan tidak lebih dari 24 jam. Akibatnya, ia akan mendingin dan mengeras, membentuk bulan.

Superkomputer tidak cukup kuat untuk sepenuhnya mensimulasikan proses ini, tetapi mereka menunjukkan bahwa shell yang menabrak dunia yang berputar cepat dapat memotong sebagian besar Bumi, menghancurkan sebagian besar Thei, dan mengumpulkan Bulan dan Bumi dengan isi isotop serupa dari fragmen-fragmen ini. Ini seperti melempar sepotong tanah liat yang belum mengeras ke roda pembuat pot yang berputar cepat.

Tetapi agar penjelasan tentang Bumi yang berotasi cepat bekerja, perlu ada sesuatu yang memperlambat perputarannya sampai hari ini. Dalam karya 2012, Stuart dan Chuck berpendapat bahwa, dengan interaksi tertentu dengan resonansi orbital, Bumi dapat mentransmisikan momentum sudut ke Matahari. Kemudian, Jack Widd dari MTI mengusulkan beberapa skenario berbeda tentang kehilangan momentum sudut oleh sistem Bumi / Bulan.

Tetapi tidak ada penjelasan yang cukup memuaskan. Stewart mengatakan model 2012 tidak dapat menjelaskan orbit atau komposisi kimiawi bulan. Kemudian, tahun lalu, Simon Locke, seorang mahasiswa pascasarjana di Universitas Harvard yang belajar dengan Stewart, mengusulkan model yang diperbarui yang mengusulkan struktur planet yang sebelumnya belum dijelajahi.

Dalam cerita ini, semua partikel Bumi dan Tei menguap dan membentuk awan membengkak dalam bentuk donat tebal. Awan berputar sangat cepat sehingga mencapai batas corotation [batas co-rotasi]. Dalam keadaan ini, di tepi luar awan, batu yang menguap berputar sangat cepat sehingga awan memperoleh struktur baru di mana cakram tebal berputar di sekitar wilayah bagian dalam. Yang penting, cakram itu tidak lepas dari wilayah tengah, bagaimana cincin-cincin itu dipisahkan dari Saturnus, dan bagaimana cakram-cakram itu dipisahkan dalam model pembentukan bulan setelah tabrakan.


Sinestia bisa terdiri dari massa seperti batu donat yang menguap di sekeliling planet berbatu

Kondisi dalam struktur ini infernal terhadap ketidakmungkinan; tidak ada permukaan, sebaliknya ada awan-awan batu yang meleleh, dan tetesan-tetesan batu cair terbentuk di setiap wilayah awan. Bulan tumbuh di dalam pasangan tetesan ini sampai uap mendingin dan meninggalkan sistem Bumi / Bulan.

Mengingat karakteristik struktur yang tidak biasa, Lock dan Stuart memutuskan bahwa itu pantas mendapatkan nama baru. Mereka datang dengan beberapa versi, setelah itu mereka memilih sinestia, menggunakan awalan Yunani yang berarti dosa "bersama", dan dewi Hestia , dewi perapian, kesehatan dan arsitektur. Stuart mengatakan kata itu berarti "struktur bersatu".

"Tubuh ini bukan apa yang Anda pikirkan pada pandangan pertama. Mereka tidak terlihat seperti yang Anda harapkan, ”katanya.

Pada bulan Mei, Locke dan Stewart menerbitkan karya tentang fisika sinestesia; pekerjaan mereka tentang asal usul bulan dari synaesthe masih dievaluasi oleh para ahli. Mereka mempresentasikan karya ini di konferensi ahli planet di musim dingin dan musim semi, dan mereka mengatakan bahwa rekan-rekan mereka tertarik, tetapi tidak diyakinkan oleh ide ini. Mungkin karena synaesthes hanya tinggal ide; tidak seperti planet dengan cincin, yang banyak terdapat di tata surya kita, dan cakram protoplanet, yang banyak di seluruh Semesta, tidak ada yang pernah melihat synaesthe.

"Tapi ini adalah cara unik yang menarik yang dapat menjelaskan fitur bulan kita dan membantu kita mengatasi kesulitan dengan model idle kita," kata Locke.

* * *

Di antara satelit alami di tata surya, bulan menonjol karena kesepiannya. Merkurius dan Venus tidak memiliki satelit alami, khususnya karena kedekatannya dengan Matahari, yang pengaruh gravitasinya akan membuat orbit bulan-bulan tersebut tidak stabil. Mars memiliki Phobos dan Deimos kecil; beberapa percaya bahwa ini adalah asteroid yang ditangkap, sementara yang lain percaya bahwa mereka terbentuk setelah tabrakan tubuh dengan Mars. Raksasa gas penuh sesak dengan bulan, beberapa di antaranya berbatu, ada yang air, ada yang bercampur.

Berbeda dengan bulan-bulan ini, satelit Bumi memiliki ukuran dan massa yang besar. Massa bulan adalah sekitar 1% dari massa Bumi, sedangkan total massa satelit dari planet-planet luar tidak melebihi sepersepuluh dari massa orang tua mereka. Lebih penting lagi, Bulan bertanggung jawab atas 80% momentum sudut dari sistem Bumi / Bulan, yaitu, untuk 80% pergerakan seluruh sistem. Di planet luar, angka ini tidak melebihi 1%.

Namun bulan tidak harus selalu membawa beban seperti itu. Wajah bulan menunjukkan bahwa ia telah dibombardir sepanjang hidupnya; mengapa kita harus berasumsi bahwa hanya satu batu yang diukir dari bumi? Mungkin saja banyak tabrakan yang menciptakan bulan, kata Raluca Rufu, seorang ahli planet di Institut Ilmu Pengetahuan Wisemann di Israel.

Dalam sebuah makalah yang diterbitkan musim dingin ini, ia mengklaim bahwa bulan tidak muncul di Bumi sekaligus. Ini adalah koleksi yang dibuat oleh seribu potongan - atau setidaknya selusin, menurut simulasi nya. Kerang yang terbang dari sudut yang berbeda dan dengan kecepatan yang berbeda dapat mengenai Bumi dan membentuk cakram yang berkumpul di bulan-bulan kecil, remah yang lebih kecil dari Bulan saat ini. Interaksi antara bulan-bulan kecil menyebabkan asosiasi mereka, yang membentuk bulan kita hari ini.


Simulasi komputer: dua bulan kecil bergabung bersama

Planetolog menerima dengan baik karyanya tahun lalu. Robin Kanap, spesialis bulan di Southwest Research Institute dan salah satu penulis pertama teori pembentukan bulan, mengatakan itu layak dipertimbangkan. Namun, pemeriksaan tambahan diperlukan. Rufu tidak yakin apakah bulan-bulan kecil akan tetap di orbitnya sebagai Bulan, selalu berpaling kepada kita di satu sisi; jika demikian, dia tidak yakin bagaimana mereka akan berkumpul. "Itulah yang sekarang kita coba cari tahu," kata Rufu.

Sementara itu, yang lain beralih ke penjelasan lain untuk kesamaan Bumi dan Bulan, dengan jawaban yang sangat sederhana. Synaesthes, bulan kecil, model fisik baru - semua ini masih bisa diperdebatkan. Mungkin saja Bulan sangat mirip dengan Bumi karena Thea juga mirip dengannya.

* * *

Bulan bukan satu-satunya objek di Tata Surya yang menyerupai Bumi. Batu-batu troctolite 76536 memiliki rasio isotop oksigen yang sama dengan batu-batu di Bumi, dan sama dengan kelompok asteroid yang disebut kondondit enstatit . Kombinasi isotop oksigen dalam asteroid ini sangat mirip dengan terestrial, menurut Miriam Telas, seorang ahli kosmokimia yang mempelajari meteorit di Institut Ilmiah. Carnegie di Washington. "Salah satu argumen adalah bahwa mereka terbentuk di daerah yang lebih panas dari cakram yang dekat dengan Matahari," katanya. Mereka mungkin terbentuk di dekat tempat Bumi terbentuk.

Beberapa dari batu-batu ini membentuk Bumi, yang lain dapat membentuk Thea. Enstatite chondrites adalah material detrital yang tidak pernah berkumpul untuk menciptakan mantel, inti, dan planet yang lengkap.

Pada bulan Januari, Nicholas Daufas, ahli geofisika di Universitas Chicago, mengklaim bahwa sebagian besar batu yang bergabung ke Bumi adalah meteorit tipe enstatite. Dia menulis bahwa segala sesuatu yang terbentuk di wilayah yang sama harus terdiri dari mereka. Penciptaan planet-planet berasal dari bahan-bahan yang sebelumnya dicampur yang kita temukan sekarang di bulan dan bumi; mereka terlihat sama karena mereka adalah hal yang sama. "Tubuh raksasa yang jatuh dan melahirkan bulan mungkin memiliki komposisi isotop dekat dengan bumi," tulis Daufas.

David Stevenson, seorang ilmuwan planet di California Institute of Technology, yang telah mempelajari asal usul bulan sejak hipotesis Thea pertama kali diperkenalkan pada tahun 1974, mengatakan ia menganggap karya ini sebagai kontribusi paling penting untuk debat selama setahun terakhir, dan berpendapat bahwa itu membahas masalah dengan yang coba ditangani geokimiawan selama beberapa dekade.


Nicholas Daufas memegang sepotong chondrite enstatite, sebuah asteroid yang mungkin terdiri dari bahan yang mirip dengan yang membentuk Bumi

“Ceritanya bisa dipercaya. Ini adalah kisah yang rumit tentang cara melihat berbagai elemen yang ditemukan di Bumi, ”kata Stevenson. "Dan kemudian Anda bisa melanjutkan ke cerita tentang urutan peristiwa tertentu yang membentuk Bumi, di mana chondrites enstatite memainkan peran besar."

Namun sejauh ini tidak semua orang percaya akan hal itu. Ada pertanyaan tentang jumlah isotop elemen seperti tungsten, kata Stewart. Tungsten-182 adalah putri hafnium-182, oleh karena itu, rasio jumlah tungsten dengan hafnium bekerja seperti jam dan menentukan usia batu tertentu. Jika ada lebih banyak tungsten-182 dalam satu batu daripada yang lain, orang dapat dengan aman mengatakan bahwa batu dengan dominasi tungsten terbentuk sebelumnya. Tetapi pengukuran paling akurat yang tersedia menunjukkan bahwa rasio tungsten terhadap hafnium adalah sama untuk Bumi dan Bulan. "Ini akan menjadi kebetulan yang sangat sukses jika dua tubuh memiliki komposisi yang sama," simpul Daufas.

* * *

Memahami Bulan - pasangan tetap kita, saudara perempuan perak, tujuan para pemimpi dan peneliti sejak jaman dahulu - menarik dalam dirinya sendiri. Tetapi sejarah asal-usulnya dan sejarah batu-batu seperti troctolite 76536 dapat menjadi satu bab dalam buku yang jauh lebih besar.

“Saya melihat ini sebagai jendela untuk pertanyaan yang lebih umum: apa yang terjadi selama pembentukan planet seperti bumi? Kata Stevenson. "Belum ada yang menjawabnya."

Dalam mencari jawaban untuk itu, pemahaman tentang sinestia dapat membantu; Locke dan Stewart percaya bahwa synesthes di Tata Surya awal dapat terbentuk dengan sangat cepat ketika protoplanet bertabrakan dan meleleh. Banyak benda berbatu pada awalnya bisa menjadi uap halo yang tebal, jadi memahami evolusi sinestia dapat membantu para ilmuwan memahami bagaimana bulan dan dunia seperti bumi lainnya berevolusi.

Tentu saja, mengumpulkan lebih banyak sampel, terutama dari mantel kedua tubuh, juga akan membantu, karena ahli geokimia kemudian akan memiliki lebih banyak data untuk dikerjakan. Mereka akan dapat mengatakan apakah kandungan oksigen yang disimpan di kedalaman Bumi dipertahankan dengan kedalaman, atau apakah tiga isotop oksigen yang umum berlaku satu sama lain di daerah yang berbeda.

"Ketika kita mengatakan bahwa Bumi dan Bulan sangat mirip dalam hal tiga isotop oksigen, kita membuat asumsi bahwa kita benar-benar tahu apa itu Bumi dan apa itu Bulan," kata Stevenson.



Rincian baru dalam teori asal usul tata surya, seringkali didasarkan pada simulasi komputer yang kompleks, membantu memahami di mana planet-planet dilahirkan dan ke mana mereka bergerak. Para ilmuwan semakin mengatakan bahwa Mars tidak akan menceritakan kisah ini kepada kita, karena itu tidak mungkin terbentuk di bagian yang sama dari tata surya di mana Bumi, enstatit, dan Thea muncul. Stevenson mengatakan Mars tidak lagi perlu digunakan sebagai barometer planet berbatu.

Para ahli bulan sepakat bahwa jawaban terbaik dapat ditemukan di Venus, sebuah planet yang lebih mirip dengan Bumi daripada yang lain. Di masa mudanya, dia bisa memiliki bulan, yang hilang kemudian; itu bisa sangat mirip dengan Bumi, atau tidak sama. "Jika kita bisa mendapatkan kerikil dari Venus, akan sangat sederhana bagi kita untuk menjawab pertanyaan tentang asal usul bulan. Namun sayangnya, ini tidak ada dalam daftar prioritas, ”kata Locke.

Kurangnya sampel dari Venus dan laboratorium yang mampu memeriksa tekanan dan suhu yang tak terbayangkan di pusat tabrakan membuat para ahli bulan muncul dengan model baru - dan merevisi sejarah asli bulan.