Konstnärs tolkning av den enorma kollisionen mellan den tidiga jorden och "Theia", ett Mars-stort objekt som tros ha orsakat månens bildande. NASA/JPL-CalTech/T. Pyle.
För sin storlek och placering i solsystemet har jorden en stor måne. Men frågan om hur jorden fick sin måne har det teoretiserats över under lång tid. Den ledande teorin är Theiateorin.
Forskare vid Southwest Research Institute och University of Arizona har nu tagit hjälp av toppmoderna beräkningstekniker som avslöjar grundläggande skillnader i hur månen kan ha bildats vid kollisionen mellan ett Mars-stort objekt och jorden för ungefär 4,5 miljarder år sedan.
Tidigare studier av scenariot utgående från jättelika nedslag på jorden inkluderar en grundläggande artikel från 2001 av Robin Canup, vice ordförande för SwRI:s Solar System Science and Exploration Division i Boulder, Colorado och Erik Asphaug, professor vid Lunar and Planetary Laboratory medförfattare till den nu aktuella studien. I det jättelika nedslagsscenariot på jorden utplånade skräpet från kollisionen mellan det Mars-stora objektet Theia och den tidiga jorden Theia, vilket spred Theiaresterna i en skiva runt jorden.
Dessa datasimuleringar och efterföljande jättepåverkande datamodeller av händelsen ignorerade dock materialstyrkan, som teoretiskt ansågs vara obetydlig för sådana högenergihändelser. Adeene Denton, en tidigare postdoktoral forskare vid Lunar and Planetary Laboratory som nu är vid SwRI och hennes team analyserade denna hypotes med moderna beräkningsmetoder som för första gången inkorporerar temperaturberoende geologisk styrka. "Vi upptäckte att den redan existerande geologin hos den Mars-stora protomånen spelade roll," beskriver Adeene Denton "När du simulerar jorden och månen som kolliderande objekt med deras geologiska egenskaper förändras hur månen bildas vid nedslaget något som ingen undersökt tidigare."
"Eftersom kollisionen ansågs vara tillräckligt våldsam för att smälta och förånga stora delar av jorden och Theia, antogs i de tidigare artiklarna att det är möjligt att se objekten som vätskor," beskriver Asphau. "Baserat på våra nya resultat tycker vi dock att det är dags att ompröva det."
Denton återbesökte hypotesen för första gången med mer avancerade simuleringar av utjämnade partikelhydrodynamik som tar hänsyn till den strukturella styrkan hos de kroppar som är inblandade i kollisionen.
"Det visar sig att materialstyrka är väldigt viktig när man studerar kollisioner mellan mindre kroppar som asteroider, dvärgplaneter och månar," beskriver Denton, som fick idén att tillämpa konceptet på jordens måne när han arbetade på en tidigare artikel om bildandet av Pluto-Charon-systemet. "Vi var inte säkra på om det skulle spela någon roll för vår måne eller inte. När vi gjorde simuleringarna upptäckte vi att det spelar ganska stor roll."
Den nya teorin utvecklad vid University of A och universitetet i Bern i Schweiz, använder en styrkemodell som ger kropparna den typ av motståndskraft mot deformation som förväntas för realistiska geologiska material såsom sten och metall och även is som skulle ha utgjort Theia och proto-jorden.
Varmare kroppar är svagare än kallare teamet fann att de olika utfallen av månbildningsscenarier är känsliga för temperaturerna hos de kolliderande kropparna. Vissa scenarier ger en helt intakt måne inom några timmar efter nedslaget medan andra resulterar i en protomåneskiva runt jorden som bildar månen över tid. Eftersom protoplaneter generellt börjar heta och svalnar över tid skapar detta en viktig ny koppling mellan tidpunkten för jättenedslaget och månens ursprungliga tillstånd och sammansättning.
"Beroende på hur varm jorden och månen var före kollisionen kan kollisionen förstöra Theia och skapa denna massiva skiva av bråte som så småningom bildar månen," beskriver Denton. "Men när vi använde samma parametrar som den ursprungliga nedslagsmodelleringen ner till lika temperaturstrukturer inuti båda kropparna framträdde en intakt måne inom cirka fem timmar."
Även om intakta månresultat har observerats i tidigare simuleringar visar detta arbete att materialstyrka och temperatur spelar en central roll om månen formas intakt eller sätts ihop av material bearbetat inom en protolunarskiva.
"Dessa överraskande och spännande nya resultat antyder en potentiell koppling mellan månens fysiska egenskaper idag och eventuella flyktiga innehåll av jordens och Theias termiska tillstånd vid tiden för jättenedslaget," beskriver Canup vice ordförande för SwRI:s Solar System Science and Exploration Division i Boulder, Colorado. Canup var inte var involverad i studien. "Detta kan i sin tur hjälpa forskare att bättre avgränsa tiden när månbildningshändelsen inträffade."
Ytterligare en fråga är om likheten mellan material som utgör jorden och månen. Precis som med tidigare modeller är det fortfarande en öppen vetenskaplig fråga att förklara den nära sammansättningen mellan jorden och månen.
"Eftersom jorden och Mars bildades i samma närhet i solsystemet är de som syskon," beskriver Denton. "Månen och jorden är däremot mer som tvåäggstvillingar."
En möjlig förklaring är att Theia och proto-jorden bildades i en gemensam region i solsystemet medan Mars som är kompositionellt skild från jorden och månen bildades längre bort.
Studien är publicerad i The Astrophysical Journal Letters och kan läsas här.
Inga kommentarer:
Skicka en kommentar