Raadsel van ontstaan van de maan mogelijk opgelost

De eerste studie in Nature simuleert erg nauwkeurig de chaos die er heerste in het vroege binnenste zonnestelsel, en kwantificeert de verscheidenheid aan botsingen die er plaatsgevonden kunnen hebben. De studie is uitgevoerd door onderzoekers uit Israël en Frankrijk.

Onmiddellijk na haar ontstaan zal de proto-aarde blootgestaan hebben aan een reeks gewelddadige botsingen met andere potentiële planeten. Naar ons beste weten was de laatste daarvan een cataclysmische botsing met een planetair lichaam dat slechts tien keer lichter was dan de aarde, en de brokstukken die daar het gevolg van waren, klonterden uiteindelijk samen om de maan te vormen. Dat is de "grote inslagtheorie".

Het probleem met die theorie is dat het grootste deel van de materie die uiteindelijk de maan zou vormen, afkomstig moet zijn van het planetair object dat insloeg op de aarde, en gebaseerd op wat we tot nu toe wisten, van wat er waar rondvloog op dat ogenblik, werd aangenomen dat dat botsende object een heel ander type van planeet zou geweest zijn dan de aarde.

"Dus, als het botsende object een samenstelling had die verschilde van die van de aarde, zouden we moeten verwachten dat ook de maan een ander samenstelling zou hebben", zei doctor Hagai B. Perets, een van de auteurs van de studie in een podcast van Nature.

Maar dat is niet het geval. "De maan en de aarde zijn bijna identiek. Dat is een van de grote uitdagingen voor deze, zeer mooie, grote inslaghypothese", zei doctor Perets van het Technion-Israel Institute of Technology.

Perets en zijn collega's kwamen na hun nieuwe simulaties tot de conclusie dat de botsende planeet best wel eens gevormd zou kunnen geweest zijn uit materiaal dat verrassend goed geleek op dat van de aarde, wat dan enkel zou resulteren in subtiele verschillen tussen het materiaal van de aarde en dat van de maan. 

Dergelijke subtiele verschillen zien we ook wel degelijk, zoals blijkt uit een spraakmakende studie uit 2014.

"Wat we gevonden hebben, is dat veel van de hemellichamen die inslaan op andere hemellichamen, een samenstelling hebben die zeer goed gelijkt op die van de planeten waarop ze inslaan, ze gelijken er net zo erg op als wat we meten op de aarde en de maan", zei Perets aan de BBC.

De modellen tonen meer bepaald aan dat er een kans van 20 procent bestaat dat de grote inslag tussen twee van dergelijke gelijkaardige proto-planeten gebeurd is. Een kans van een op vijf, dat is meer dan behoorlijk voor de huidige theorie over het ontstaan van de maan, zei Perets. "Nu heb ik nog meer vertrouwen in de grote inslaghypothese".

Een ander probleem met de huidige theorieën heeft te maken met wat er gebeurde na het ontstaan van de maan. Om bepaalde details in de samenstelling van de aarde te verklaren, hebben onderzoekers voorgesteld dat zowel de aarde als de maan een grote hoeveelheid extra materie vergaard hebben - een zogenoemd "laat laklaagje" -, gedurende een periode na hun ontstaan waarin ze gebombardeerd werden door grote aantallen meteorieten.

En net zoals de oorspronkelijke grote inslag waarbij de maan ontstaan is, zou dit proces een spoor van bewijzen nagelaten moeten hebben dat tot nu toe niet gevonden was. Zelfs indien de aarde en de maan gevormd zijn uit zeer gelijkaardige bouwstenen, zoals de Frans-Israëlische studie stelt, zou het bombardement met meteorieten een veel groter effect moeten gehad hebben op de zwaardere aarde met haar veel grotere aantrekkingskracht. En dat moet de ingrediënten van de aarde uiteindelijk een samenstelling gegeven hebben die licht verschilt van die van de maan. 

En dat is net wat twee nieuwe studies gevonden hebben. De studies, een uit de VS, en één uit Duitsland, hebben voor het eerst aanwijzingen gevonden voor een licht verschillende samenstelling, door maanrotsen van de Apollo-missies te analyseren met een hogere graad van precisie dan voorheen.

De twee teams keken meer bepaald naar sporen van het metaal wolfraam in kleine stukjes van de maan die ze van de NASA geleend hadden, en ze vonden een klein maar veelzeggend verschil met aardrotsen. De verhouding tussen de verschillende isotopen van het metaal was anders in de maan- en de aardrotsen.

Ook belangrijk is dat de twee teams dezelfde verhoudingen gevonden hebben, en dat het verschil klopt met wat men kan verwachten als de aarde een groter "laklaagje" verkregen heeft bij het meteorietenbombardement.

"Het kleine, maar betekenisvolle verschil in de samenstelling van de isotopen van wolfraam tussen de aarde en de maan, komt perfect overeen met de verschillende hoeveelheden materiaal die de aarde en de maan verzameld hebben na de inslag", zei professor Richard Walker van de University of Maryland aan de BBC. Walker is een van de auteurs van het Amerikaanse onderzoek naar de wolfraam-isotopen.

"De studies vertellen allemaal hetzelfde verhaal, alles valt op zijn plaats", zei doctor Willbold, een planetair wetenschapper die eerder al het "late laklaagje" onderzocht had op basis van de wolfraam-verhoudingen. 

"Het is erg opvallend. De studies van de maanrotsen stellen dat het verbazend is dat de aarde en de maan in het begin dezelfde samenstelling hadden, voor het bombardement. En dat sluit perfect aan bij de simulatiestudie, waar ze zeggen, kijk, dat kunnen wij oplossen. Als je naar de modellen kijkt, waren het hemellichaam dat insloeg en de aarde gelijkaardig, dus we hebben zonet jullie probleem opgelost."

Volgens de theorie raakte een hemellichaam op een ramkoers met de proto-aarde, kort na haar ontstaan.

Het hemellichaam met een massa van een tiende van de aarde, botste op de proto-aarde en werd grotendeels in stukken gescheurd. 

De brokstukken van het hemellichaam en van de aarde vormden een ring rond de aarde, waaruit de maan gevormd werd.

Uit de brokstukken is dan de maan ontstaan (foto: NASA/Goddard Space Flight Center).