Het ontstaan van de Maan: Kosmische botsing met dwergplaneet Theia.

Vijftig jaar geleden brachten Neil Armstrong, Buzz Aldrin en Mike Collins de eerste stalen van de maan naar 'huis' voor onderzoek. Dat veroorzaakte een schokgolf in de planetaire wetenschappen. Oude theoriën werden verworpen en een nieuwe hypothese verrees uit de as. De Grote Inslaghypothese houdt intussen al meer dan dertig jaar stand, maar kan nog niet alle observaties verklaren. Ze wordt continu bekogeld door nieuwe ideeën en invalshoeken. Zelfs terwijl ik schrijf, zijn er al weer nieuwe wendingen in hoe precies de Grote Inslag plaatsvond. 

Onze planeet is gedurende haar hele geschiedenis onderhevig geweest aan verandering. De meeste veranderingen voltrokken zich langzaam, zoals de evolutie van het leven of het afslijten van de bergen. Soms gebeurde er iets dat een globale impact had, zoals de asteroïde die de dinosauriërs neerlegde. Maar één bepaalde gebeurtenis staat met kop en schouders boven alle andere. Het ontstaan van de maan deed onze planeet op haar grondvesten beven en onomkeerbaar veranderen, zoals mooi beschreven in het boek van Prof. Dr. Robert Hazen, The Story of Earth. 

Maar ook het onderzoek naar het ontstaan van de maan zelf zorgde voor heel wat opschudding. 

De Titanen

Wat is er allemaal al niet over de maan geschreven? Sinds de vroegste geschiedenis van de mensheid oefent dit hemellichaam een onweerstaanbare aantrekkingskracht uit op ons. De Grieken associeerden hun oudste goden, de Titanen, met de hemellichamen. 

Theia, een van de titanen, was de hemelgodin. Zij baarde Selene, de maangodin. 

We kennen de maan als een onschuldige melkwitte schijf, steeds veranderend van vorm en van plaats. Het aardse leven deint mee op het ritme van de maan. De verschillende fasen van de maan waren het enige houvast voor de mens om zonder instrumenten de tijd bij te houden. Bij volle maan is het leven onrustig, actiever. Bij nieuwe maan is de nacht in duisternis gehuld, maar de sterren schijnen dan des te helder.

Soms is er een bloedmaan of een supermaan, waaruit volkeren wereldwijd de toekomst voorspellen, rampen uit aflezen. De maan vertoont verschijnselen die door de mens toegekend worden aan de grillen van de goden en het lot.

Getijdewerking

De wereldzeeën worden twee keer per etmaal naar de maan toe getrokken, de getijden zijn er het gevolg van. Minder opvallend is de getijdewerking van de aarde en de maan zelf: Beide lichamen vervormen onder de wederzijdse aantrekking, waardoor op lange termijn de rotatiesnelheid van de aarde afneemt. 

De maan, ze is slechts een van de vele manen in ons zonnestelsel, maar toch zo belangrijk voor het leven op aarde. De maan houdt de aardbewegingen in toom. De aarde draait namelijk niet enkel als een tol om haar as, maar de as zelf wiebelt ook, wat zich uit in min of meer regelmatige schommelingen van het klimaat, bijvoorbeeld in de Sahara. Zonder maan zou de aarde op een veel chaotischere manier wiebelen, wat rampzalige gevolgen op het klimaat zou hebben, en de aarde misschien onleefbaar zou maken.

Bijna 4,6 miljard jaar geleden ontstond het zonnestelsel en de planeten. Maar de aarde was toen nog alleen. De maan liet echter niet lang op zich wachten. Volgens recente onderzoeken [i] ontstond ze zo'n 50 miljoen jaar later. 

Protoplanetaire schijf

Eerst vormde zich het zonnestelsel uit een ziedende, snel draaiende, protoplanetaire schijf van ruimtematerie met de jonge zon in het midden. Door de wetten van de zwaartekracht werden kleinere deeltjes of planetesimalen naar de grotere toegezogen, in een proces dat accretie heet. Uiteindelijk bleven een dozijn grotere protoplaneten over. Dit gebeurde allemaal redelijk snel, althans geologisch gezien, in minder dan een miljoen jaar [ii]. 

Deze grote hemellichamen ploegden als gigantische stofzuigers door het zonnestelsel, en de overblijvende brokstukken, meteoren en miniplaneetjes werden met figuurlijk haar en huid door de grote jongens opgeslokt. De jonge, gloeiende, maanloze aarde werd herhaaldelijk gebombardeerd door regens van meteorenzwermen. De oppervlakte van de aarde was een ware woestenij, bedekt met magmazeeën en torenhoge lavafonteinen, vooral daar waar de meteoren insloegen. 

Bij elke inslag werd de oppervlakte van de aarde terug een deinende, blubberende massa, die echter gauw weer stolde, in de kilte van het omringende heelal. Maar er was meer nodig om de maan te vormen. 

Daarvoor keren we even terug naar het heden, naar de oude knarren onder de wetenschappers van vóór de Apollomissies. Zij deden een opvallende observatie. 

Enorme maan

De maan is gigantisch groot ten opzichte van de aarde [ii]. Sommige wetenschappers spreken zelfs van een dubbelplaneet. Bij andere planeten van het zonnestelsel zijn de manen erg klein ten opzichte van hun gastplaneet. Mars wordt omringd door de twee kleine maantjes Phobos en Deimos, en Jupiter heeft grotere manen, maar die vallen sowieso in het niet bij hun grote gastheer. De diameter van onze maan daarentegen is meer dan een kwart van die van de aarde. Onderzoekers hadden heel wat moeite deze Case of the Massive Moon te verklaren. Want in tegenstelling tot de andere manen, die eigenlijk 'gekaapte' asteroïden zijn, kon de oorsprong van onze reusachtige maan niet in een handomdraai verklaard worden. 

Asteroïde of weggeslingerde homp?

Vóór 1969 waren er drie working hypotheses. George H. Darwin, zoon van -, speculeerde dat een homp van de aarde, dewelke in het begin veel sneller om haar as draaide, weggeslingerd werd en zo de maan vormde, een theorie gekend als de fission theory. Een tweede theorie is de capture theory, waarbij de banen van de aarde en een asteroïde elkaar naderden en de asteroïde werd gevangen in het zwaartekrachtsveld van de aarde, wat het geval is voor sommige andere planeten. De co-accretietheorie staaft dat de maan zich vormde op ongeveer de huidige afstand van de aarde, uit overblijvende brokstukken van de zonnenevel. 

Maanstalen

De maanlandingen van Apollo 11 in 1969 en daaropvolgende missies veroorzaakten een schokgolf in de aardwetenschap en de planeetkunde. Voor het eerst konden stukjes van de maan aangeraakt worden, konden wetenschappers zien uit welke elementen en mineralen de maan bestond. Men ontdekte dat de mineralen van de maan, en hun onderlinge verhoudingen, zeer sterk leken op die van de aarde, maar er zijn ook belangrijke verschillen. 

De maan bevat meer titanium, en ook een andere hoeveelheid chroom. De maan bevat veel minder ijzer, en haar kern is in verhouding veel kleiner dan de aardkern. De maan bevat bijna geen vluchtige elementen (gassen) die op aarde zo veelvuldig voorkomen en die het leven mogelijk maken zoals stikstof, koolstof en zwavel. De isotoopverhouding van het element zuurstof (isotopen zijn atomen met variaties in het aantal neuronen, beetje moeilijk, sorry) is dan wel weer gelijk. En er zijn geen sporen van waterhoudende mineralen op de maan. De maan lijkt dus zeer sterk op de aarde, maar waarom zijn er dan zoveel verschillen? 

Verdwaalde maan

Met deze zee aan nieuwe informatie kregen de verdedigers van de oudere hypotheses het zwaar te verduren. Een voor een sneuvelden de oude hypotheses. De co-accretie theorie moest er als eerste aan geloven. Daarvoor moest de samenstelling van de maan nog meer overeenkomen met die van de aarde, wat niet het geval is. Ook de capture-theorie stootte tegen onoplosbare hindernissen, want de aarde kon alleen maar een object 'vangen' als dit zich vormde op dezelfde afstand van de zon als de aarde, waardoor ook dit object dezelfde samenstelling moest hebben. 

En als er dan toch een verdwaalde maan uit een ander deel van het zonnestelsel kwam aanrazen, en zich in een baan op ongeveer dezelfde afstand van de zon als de aarde installeerde, dan had deze maan, volgens computerberekeningen, een te hoge snelheid om in het zwaartekrachtveld van de aarde te worden gevangen. Het verschil in samenstelling kon wel verklaard worden met de fissie-theorie. Want de weggeslingerde homp aarde had geen of weinig kernmateriaal, een goed argument voor een ijzer-arme maan. Maar de wetten van de fysica lieten het niet toe. Computermodellen berekenden dat de aarde nooit snel genoeg om haar as heeft gedraaid om zulke homp weg te katapulteren.

Zusterplaneet

Gedurende de jaren '70 en '80 werkten wetenschappers koortsachtig aan nieuwe ideeën. Tijdens een revolutionaire conferentie in Kailua-Kona (Hawaii) in oktober 1984 verrees één hypothese uit de as van de voorgaande hypotheses [iii]. Elementen van de oudere hypotheses staken soms wel nog de kop op, en zijn essentieel om nieuwere theorieën te verfijnen. 

De nieuwe hypothese werd als de Grote Inslagtheorie ingeblikt, in de media gekend als het 'Big Splash' of 'Big Thwack' Model, of de "Giant Impact" (GI) hypothese. 

Deze theorie geeft de beste oplossing voor een serie moeilijk verenigbare eigenschappen van de maan. Hoe moeten we ons de Grote Inslag voorstellen? 

Theia op rampkoers

Vijftig miljoen jaar na de vorming van ons zonnestelsel had de proto-aarde bijna haar huidige grootte, en werd nog steeds regelmatig door regens van ruimteobjecten gegeseld. Dit belette de proto-aarde niet rustig in haar baan voort te tollen, want zij was intussen veel groter dan het rondvliegend puin en kon al tegen een stootje. 

Toen naderde Theia, een andere protoplaneet. Theia was ongeveer zo groot als Mars. Voor een korte tijd scheerden beide zusterplaneten als twee renpaarden langs elkaar, in dicht bij elkaar liggende banen om de zon. Deze situatie was geen lang leven was beschoren. 

De wetten van de astrofysica zijn onvermurwbaar: Twee planeten van vergelijkbare grootte kunnen niet (lang) eenzelfde baan delen. De zusterplaneten scheerden gevaarlijk dichtbij. Een botsing was onafwendbaar, en zo geschiedde. Theia schampte de aarde. 

De mogelijke botsingscenarios werden op steeds meer gedetailleerde wijze gemodelleerd. Duizenden simulaties werden afgedraaid om te zien welke randvoorwaarden van massa, snelheid en inslaghoek een maan-aarde systeem opleverden. Velen deden dat niet, maar enkele wel. 

Gebotste werelden

Een populaire simulatie [ii], toont hoe het drama zich in schijnbare slow-motion afspeelt. Beide planeten naderen elkaar, tot ze elkaar aanraken, alsof ze elkaar een zoentje willen geven. Minuten later begint Theia zich te vervormen, als een deegbal. De aarde is nog gewoon rond. Theia raakt helemaal vervormd als een klodder deeg, terwijl de ook de aarde uit haar evenwicht is gestoten en haar ronde vorm verliest. Een half uur later is Theia herleid tot stof, de aarde is zwaar gedeukt. Gloeiendheet rotsmateriaal spuit uit de inslagzone en hullen de gebotste werelden in stof. 

Langgerekte klodder

In een andere versie kaatst Theia als een langgerekte klodder weg van de aarde, na een eerste botsing, om dan terug naar de aarde toe te worden gezogen voor de genadeslag. In de meeste simulaties verdwijnt Theia volledig. Theia verstuift tot een gloeiende wolk, die zich rondom de aarde verdeelt en rondcirkelt. De aarde blijft er niet onbewogen onder. Een deel van de mantel en de kern van de aarde zijn ook verbrijzeld en verdampt, en mengen zich onder het stof van Theia. Een klein deel van het stof ontsnapt naar de ruimte, maar de zwaartekracht houdt het grootste deel in haar greep. 

Ziedende magmawereld

De aarde is een ziedende magmawereld van deels verstoven, deels gesmolten materie. De zware metalen zinken algauw terug naar de kern, waarbij zich een nieuwe kern vormt, groter dan tevoren. Wekenlang regent het heet materiaal dat door de roodgloeiende magmaoceaan aan de oppervlakte wordt verzwolgen. Een deel van het materiaal blijft op afstand rondcirkelen, en de brokstukken versmelten met elkaar. Na enkele jaren verkrijgt de maan haar huidige grootte. Zowel de maan als de aarde hebben iets van Theia en de proto-aarde in zich. Maar de vraag is, hoeveel van elk en wat vertelt dat nog meer over de Grote Inslaghypothese? 

Op de helling

Kunnen we nu opgelucht ademhalen nu we denken te weten hoe de het Maan-Aarde systeem ontstond? Nee, de discussie is allesbehalve gesloten. 

Want de Grote Inslaghypothese staat weer op de helling! De wetenschappers zitten met de handen in het haar. De Aarde, de Maan en Theia geven hun geheimen slecht mondjesmaat prijs. We komen er nog op terug. 

Kijk hier naar een simulatie van de vorming van de Maan. Ga direct naar 5:40 om de Giant Impact to zien. 

Ga naar onze serie over de Ruimte. 

Bronnen

[i] Thiemens M M, Sprung P, Fonseca R O C. et al., 2019, Early Moon formation inferred from hafnium-tungsten systematics. Nature Geoscience. 12, p. 696-700

[ii] Hazen, R. The Story of Earth: The First 4.5 Billion Years, from Stardust to Living Planet. Penguin Books. (2013), 320 p. 

[iii] Hartmann W K, Phillips R J, Taylor G J, 1986, Origin of the Moon. Papers presented at the Conference on the Origin of the Moon, held in Kona, Hawaii, October 1984. The Lunar and Planetary institute, Houston

trefwoorden: ontstaan van de maan, oorsprong van de maan, Theia, Aarde en Theia, Grote Inslaghypothese, Apollomissie, inslaghypothese, botsing met theia, maan en theia, maanonderzoek, maanhypothese, maanlandingen, ontstaan aarde, ontstaan maan

Kathelijne: Als natuurliefhebber ben ik geboeid door hoe atmosfeer, bodem, gesteente, oceaan en leven voortdurend met elkaar in wisselwerking zijn op geologische en menselijke tijdschalen.

Lees ook: de Planeetzusjes en GoodClimateNews. 

Waarom ik GondwanaTalks startte.

Laatste artikels:

Vind je dit goed leesvoer? Ontvang een update voor elk nieuw artikel (om de zoveel weken / geen andere reclame)