Badacze wyjaśnili zagadkę "odwróconej" geologii Księżyca

Według przyjętej powszechnie teorii Księżyc powstał, gdy ok. 4,5 miliarda lat temu niewielka planeta zderzyła się z młodą jeszcze wtedy Ziemią. Pod wpływem uderzenia w przestrzeń została wyrzucona roztopiona lawa, która z czasem się ochłodziła, utwardziła, tworząc naturalnego satelitę Ziemi. Jednak szczegóły tej historii pozostają w dużej mierze nieznane.

Nowe odkrycie dokonane przez zespół z University of Arizona (USA) rzuca nowe światło na tę historię. Wiedza na temat powstania Księżyca pochodzi z analizy skał pobranych w czasie programu Apollo oraz modeli teoretycznych. Skały zawierają nietypowo wysokie stężenie tytanu. Badania satelitarne pokazały już, że te wulkaniczne bogate w tytan skały zlokalizowane są głównie po stronie zwróconej zawsze w kierunku Ziemi. Przyczyna takiego rozkładu skał pozostawała jednak dotąd tajemnicą. Uważa się jednak, że na początku swojego istnienia Księżyc pokryty był oceanem magmy. Powoli się ochładzając i tężejąc, utworzyła płaszcz i skorupę, którą widać dzisiaj. Według modeli, głębiej pozostałe osady miały utworzyć gęste minerały, w tym zawierający duże ilości tytanu i żelaza, ilmenit.

Rzecz w tym, że ponieważ te minerały są 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.

"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" - mówi prof. Jeff Andrews, autor publikacji, która ukazała się w piśmie "Nature Geoscience" (https://www.nature.com/articles/s41561-024-01408-2).

Nie było na przykład wiadomo, czy zawierające tytan materiały powoli się zapadały w trakcie, gdy powstawały, czy w szybkim tempie, po stwardnieniu powierzchni Księżyca. Nie jasne też było, czy minerały te zapadły się globalnie, we wszystkich rejonach i potem wróciły na powierzchnię z jednej strony, czy może zapadały się podobnie, asymetrycznie.

Badacze nie wiedzieli też, czy zapadły się jako jedno wielkie skupisko masy, czy wiele małych. "Bez dowodów każdy może wybrać sobie swój ulubiony model. Każdy model jednak ma ważne konsekwencje z punktu widzenia geologicznej ewolucji Księżyca" - podkreśla jeden z naukowców, Adrien Broquet.

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 było prawdopodobnie silne uderzenie w stronę przeciwną. Potem materiał ten miał zapaść się w głąb Księżyca w formacjach przypominających cienkie płyty opadające w dół, trochę jak w 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 zapadającego 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.

"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" - mówi kierujący pracami Weigang Liang.

Analiza wskazuje też informacje 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. "Księżyc jest fundamentalnie asymetryczny pod każdym względem" - mówi prof. Jeff Andrews-Hanna, jeden z badaczy.

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 wyjaśńia także i te różnice.

"Nasza praca łączy wszystkie kropki między dowodami geofizycznymi odnośnie wewnętrznej struktury Księżyca i modelami komputerowymi jego ewolucji" - mówi dr Liang. "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.

Marek Matacz