Księżyc jest znacznie starszy, niż kiedyś sądzono, ale jego ognista przeszłość ukrywa jego prawdziwy wiek.
Nowe badania pokazują, że kilkaset milionów lat po powstaniu Księżyc doświadczył tak ekstremalnej aktywności wulkanicznej, że cała jego skorupa wielokrotnie stopiła się i przekształciła, resetując swój zegar geologiczny. W tamtych czasach Księżyc krążył znacznie bliżej Ziemi, a intensywne siły pływowe powstające z tej bliskości przegrzewały jego wnętrze, podsycając gwałtowne erupcje. Tylko Io, JupiterKsiężyc i najbardziej aktywne wulkanicznie ciało w Układzie Słonecznym stanowi podobny przykład tak niezwykłych warunków.
Ta świeża perspektywa, opublikowana w Natura przez międzynarodowy zespół z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Cruz, Instytutu Badań nad Układem Słonecznym Maxa Plancka i Collège de France, rozwiązuje długotrwałe sprzeczności dotyczące wieku Księżyca. Według ich ustaleń Księżyc powstał 4,43–4,51 miliarda lat temu. Jednak jego skorupa – przekształcona przez wściekłość wulkanu – wydaje się co najmniej 80 milionów lat młodsza.
Rozbieżności w wieku Księżyca
Księżyc okazał się nieuchwytny, jeśli chodzi o ujawnienie jego prawdziwego wieku. Szacunki naukowców różnią się o kilkaset milionów lat, niektórzy twierdzą, że powstał 4,35 miliarda lat temu, a inni sugerują, że 4,51 miliarda lat temu.
Niespójność w dużej mierze sprowadza się do skał: większość próbek skał księżycowych wskazuje na młodszy wiek, ale kilka rzadkich kryształów krzemianu cyrkonu, zwanych cyrkoniami, jest znacznie starszych. Jak to możliwe?
Nowe badanie oferuje wyjaśnienie. Naukowcy obliczyli, że po uformowaniu się Księżyca jego skorupa uległa w dużej mierze przetopieniu. Podczas gdy większość materiałów uległa tym intensywnym warunkom, garść cyrkonii pozostała nienaruszona, zachowując wgląd w wcześniejszą historię Księżyca.
Odkrywanie pochodzenia Księżyca poprzez kolizję
Historia Księżyca rozpoczyna się od potężnego zderzenia. W początkach Układu Słonecznego fragment wielkości ok Mars rozbił się na wciąż młodej Ziemi. Zderzenie wygenerowało tak dużo ciepła, że nasza planeta całkowicie się stopiła i wyrzuciła w przestrzeń kosmiczną ogromną ilość materii.
Z biegiem czasu materia ta zlepiła się, tworząc Księżyc, początkowo pokryty ogromnym oceanem gorących, płynnych skał. W ciągu następnych milionów lat nowo utworzone ciało ostygło i coraz bardziej oddalało się od Ziemi, aż osiągnęło swoją obecną orbitę w odległości około 384 400 kilometrów.
Siły pływowe i ogrzewanie Księżyca
„Nas szczególnie interesuje faza, w której odległość między Ziemią a Księżycem wynosiła około jednej trzeciej dzisiejszej odległości” – wyjaśnia prof. dr Francis Nimmo z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Cruz, pierwszy autor nowego badania. W tym czasie nastąpiły różne zmiany w położeniu i kształcie orbity Księżyca. Między innymi stał się bardziej eliptyczny, przez co prędkość Księżyca i jego odległość od Ziemi różniły się zauważalnie w obrębie każdej orbity. Działające w ten sposób siły „przekręciły” wnętrze Księżyca do tego stopnia, że doszło do jego nagrzania. Podobną sytuację znamy do dziś z księżyca Jowisza Io, który krąży wokół gazowego olbrzyma również po lekko eliptycznej orbicie. Ogromne siły pływowe Jowisza sprawiają, że mały księżyc jest najbardziej aktywnym wulkanicznie ciałem w Układzie Słonecznym. Wczesny Księżyc Ziemi prawdopodobnie dorównywał nawet Io.
Jak pokazują obliczenia naukowców, przepływ ciepła z wnętrza Księżyca był wystarczający, aby stopić i przebić cały płaszcz. Chociaż w tej fazie ocean magmy nie pokrył całego Księżyca, w ciągu kilku milionów lat ciepło z jego wnętrza stopniowo docierało do każdej części powierzchni, upłynniając większość skał skorupy ziemskiej – być może nawet kilka razy. W niektórych miejscach gorąca lawa przedostawała się na powierzchnię, w innych magma wtłaczała pod powierzchnię, podgrzewając otaczające ją skały.
Wpływ aktywności wulkanicznej na datowanie Księżyca
Ta wulkaniczna historia ma decydujące znaczenie dla określenia wieku skały skorupy ziemskiej. Od momentu powstania skały księżycowe (podobnie jak skały lądowe) zawierają radioaktywne izotopy. Izotopy to odmiany niektórych atomów, które różnią się jedynie liczbą neutronów w jądrze atomowym. Znając czasy rozpadu izotopów, można wywnioskować wiek skały z ich aktualnego stężenia. Decydujący czynnik: dopóki skała jest gorąca, może wymieniać izotopy z otoczeniem. Po ostygnięciu zachowuje swój skład. Uwięzione izotopy radioaktywne zaczynają się rozpadać, a zegar geologiczny zaczyna tykać.
„Silny wulkanizm prawdopodobnie zresetował zegar geologiczny Księżyca” – wyjaśnia prof. dr Thorsten Kleine, dyrektor MPS i współautor badania. „Próbki skał księżycowych nie ujawniają zatem swojego pierwotnego wieku, a jedynie moment, w którym zostały ostatnio mocno nagrzane” – dodaje. Tylko kilka żaroodpornych cyrkonii świadczy o bardziej odległej przeszłości, jak wykazują naukowcy w swoich obliczeniach. W niektórych miejscach, gdzie lawa nie dotarła na powierzchnię, ziarna cyrkonu pozostawały chłodne, dzięki czemu nie wpływał na ich wewnętrzny zegar.
„Próbki skał księżycowych opowiadają nam całą, burzliwą historię Księżyca. Opowiadają nam o jego powstaniu i późniejszym gwałtownym wulkanizmie. Do tej pory po prostu nie czytaliśmy tych wskazówek poprawnie” – mówi Kleine. Według wyników badacza sam Księżyc ma od 4,43 do 4,51 miliarda lat. Gwałtowny wulkanizm ukształtował jego skorupę około 4,35 miliarda lat temu.
Rozwiązywanie tajemnic Księżyca dzięki nowym badaniom
Nowe odkrycia rozwiązują także wiele innych sprzeczności, które wcześniej intrygowały naukowców. Na przykład stosunkowo niewiele kraterów na Księżycu przemawiało przeciwko jego starzeniu się. W tak długim czasie nasz kosmiczny sąsiad powinien był być świadkiem większej liczby uderzeń. Wulkanizm oferuje teraz wyjaśnienie.
„Lawa z wnętrza Księżyca mogła wypełnić baseny wczesnego uderzenia i w ten sposób uczynić je nierozpoznawalnymi” – mówi współautor, prof. dr Alessandro Morbidelli z Collège de France.
Kolejną zagadką dla badaczy był skład płaszcza Księżyca. To warstwa skał leżąca bezpośrednio pod skorupą Księżyca. Jego lista składników różni się od ziemskiej pod kluczowymi względami. Gdyby jednak wnętrze Księżyca zostało stopione po raz drugi, niektóre substancje mogłyby przedostać się z płaszcza do żelaznego jądra poniżej.
„Nowe wyniki oznaczają, że wszystkie elementy układanki, które wcześniej nie pasowały do siebie, tworzą teraz spójny ogólny obraz powstawania Księżyca” – mówi Kleine.
Więcej informacji na ten temat można znaleźć w artykule Czy grawitacja Ziemi nadała Księżycowi wulkaniczną przemianę?
Odniesienie: „Przetapianie napędzane pływami około 4,35 miliarda lat temu wskazuje, że Księżyc jest stary”, Francis Nimmo, Thorsten Kleine i Alessandro Morbidelli, 18 grudnia 2024 r., Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-08231-0
