Nedslagsteorien

Nedslagsteorien framstiller månens dannelse som et resultat av en kollisjon mellom en ung jord og et Mars-lignende objekt. Denne framstillingen er den for tiden mest anerkjente teorien for dannelsen av månen. Blant de bevis som understøtter teorien, er prøver fra månens overflate, som indikerer at månen en gang har vært i smeltet tilstand, månens tilsynelatende beskjedne kjerne av jern, månens densitet som er mindre enn jordens, og bevis for lignende kollisjoner i andre solsystem, med fragmentskiven rundt stjernen som resultat. Objektet som skal ha kollidert med jorden, blir noen ganger omtalt som Theia, som i gresk mytologi var mor til månegudinnen Selene.

Det er fortsatt uoppklarte elementer i forbindelse med teorien. Oksygenets sammensetning av isotoper er tilnærmet identisk på månen og på jorden, uten tegn til innblanding fra et annet himmellegeme. Prøver fra månens overflate har heller ikke forventede mengder av enkelte grunnstoffer og kjemiske forbindelser ut fra sammensetningen som er vanlig på jorden, og det er heller ingen bevis for at jorden noen gang har hatt magmahavet som implisert må ha vært der i henhold til teorien.

Opprinnelse
I 1898 foreslo den britiske astronomen og matematikeren George Darwin at jorden og månen en gang kunne ha vært samme legeme. Darwins hypotese gikk ut på at en måne i flytende form hadde blitt slynget ut fra jorden på grunn av sentrifugalkraften, en teori som ble den tids akademiske forklaring på månens opprinnelse. Ved å benytte Newtonisk mekanikk hadde han beregnet at månen tidligere hadde gått i bane betydelig nærmere jorden, og at den gradvis driver bort fra jorden, noe som senere ble bekreftet ved amerikanske og sovjetiske eksperimenter med lasermålinger av bestemte objekter på månen.

Darwins beregninger kunne imidlertid ikke løse problemet med hvordan månen kunne spores tilbake til jordens overflate. I 1946 utfordret imidlertid Reginald A. Daly ved Harvard University Darwins forklaring med en justering av teorien, hvor dannelsen av månen ble forklart som et resultat av et sammenstøt heller enn ved hjelp av sentrifugalkraft. Dalys nye teori fikk imidlertid liten oppmerksomhet, helt til en konferanse om satellitter i 1974, hvor den ble reintrodusert. Den ble da utgitt i tidsskriftet Icarus i 1975 av professor William K. Hartmann og professor Donald R. Davis. I deres modell ble det foreslått at det ved slutten av perioden hvor planetene ble dannet, også var blitt dannet flere objekter på størrelse med satellitter, som kolliderte eller ble fanget opp av planetene. De foreslo at en av disse objektene kan ha kollidert med jorden, og at ildfast, kompakt støv utformet jorden. Kollisjonen kunne forklare månens unike geologiske egenskaper.

En lignende tilnærming ble antatt av Alfred G. W. Cameron og William Ward, som foreslo at månen ble dannet av et tangentielt sammenstøt med et objekt på størrelse med Mars. De ytre silikatene fra det kolliderende objekt ville for det meste fordampe, en metallisk kjerne ville ikke. På grunn av dette ville derfor det meste av materien sendt i bane rundt jorden, bestå av silikater, og i samlet tilstand framstå som en satellitt med relativt liten kjerne av jern. Den mere volatile delen av materie etter en slik kollisjon, ville unnslippe solsystemet, mens silikatene ville tendere til samle seg.

Theia
Den hypotetiske protoplaneten er oppkalt etter Theia, gudinne og titan i gresk mytologi, og mor til Selena, månegudinnen. Ifølge nedslagsteorien ble Theia dannet, sammen med andre objekter på størrelse med planetene i solsystemet, for 4,6 milliarder år siden, og var anslagsvis på størrelse med Mars.

En formasjonjsteori går ut på at Theia materialiserte seg ved L4 eller L5 L-punkter i forhold til jorden (i samme bane og om lag 60° foran eller bak), på samme måte som de trojanske asteroider. Theias banestabilitet ble forstyrret da objektets masse oversteg om lag 10 % av jordens. Gravitasjonelle uroligheter forårsaket av planetesimaler forårsaket at Theia avvek fra sin stabile Lagrange-posisjon, og inkonsekvente bevegelser i forhold til protojorden førte til de to objektenes kollisjon.

Astronomer mener kollisjonen mellom Jorden og Theia skjedde for om lag 4,53 milliarder år siden, om lag 30-50 millioner år etter dannelsen av solsystemet. Nye beviser, presentert i 2008, tyder imidlertid på at kollisjonen kan ha skjedd noe senere, for om lag 4,48 milliarder år siden.

Sammenstøtet
I astronmisk målestokk kan man si at et sammenstøt ville ha funnet sted i beskjeden hastighet. Man antar at Theia må ha truffet jorden fra en skrå vinkel på et tidspunkt da jorden var tilnærmet ferdig dannet. Datasimuleringer av et scenario med et sammenstøt som beskrevet, anslår en vinkel for nedslaget på rundt 40°, og en hastighet for kolliderende objekt på under 4 km/s. Theias jernkjerne sank inn i jordens kjerne, og det meste av Theias mantel, og en betydelig del av den unge jordens mantel, ble knust og sendt i bane rundt jorden. Denne materien samlet seg raskt og dannet månen (muligens innen en måned, men ikke på lengre tid enn et århundre). Beregninger basert på datasimuleringer av en slik hendelse, anslår at vel to prosent av Theias opprinnelige masse endte opp i en støvring i bane rundt jorden, og at om lag halvparten av denne materien ville ha blitt samlet under dannelsen av månen. Jorden ville ha fått et betydelig tilskudd av drivmoment og masse fra en slik kollisjon. Uavhengig av hvilken rotasjon og helling jorden måtte ha før sammenstøtet, ville jordens rotasjonstid ha endret seg til vel fem timer, og dens ekvator ville ha blitt dreid mot månens plan.

Det er blitt foreslått at også andre betydelige objekter kunne ha blitt dannet som et resultat av sammenstøtet, objekter som kan ha gått i bane mellom jorden og månen, fanget i Lagrange-punkt. Slike objekter kan ha vært i jord-måne-systemet i opptil 100 millioner år, inntil gravitasjonell påvirkning fra andre planeter destabilserte systemet nok til å fri objektet fra dets bane.

Bevis

Indirekte bevis for nedslagsscenarioet kommer fra månesteiner samlet i forbindelse med månelandingene gjennom Apollo-programmet. Disse viser at ratioen av ulike isotoper av oksygen er tilsvarende de man finner på jorden. Månens rike forekomster av Anortositt, såvel som de rike KREEP-forekomstene, styrket ideen om at en stor del av månen en gang må ha vært flytende, og nedslagsscenarioet kunne lett ha tilført nok energi til månens magmahav. Videre vises det til at dersom månen har en kjerne av jern, , må den være relativt beskjeden. I all hovedsak viser densitet, treghet, rotasjonsmønster og magnetisk induksjon at kjernens diameter er mindre enn 25 % av månens radius, i motsetning til om lag 50 % for steinplanetene. Foreløpige funn styrker teorien om at månen i all hovedsak er dannet av mantlene fra jorden og nedslagsobjektet, at kjernen ble en del av jorden, og gir også en tilfredsstillende forklaring på forholdet i helning mellom jorden og månens bane.

Varmt silikaholdig støv og større mengder SiO-gass, produkter etter kollisjoner i høy hastighet (mer enn 10 km/sek) av objekter i stein har blitt påvist rundt stjernen HD172555, som er bare om lag 12 millioner år, i Beta Pic-systemet ved hjelp av Spitzer Space Telescope. Et belte av varmt støv i en avstand på 0,25 til 2 AE rundt den unge stjernen HD 23514 i Pleiadene framstår slik man har beregnet resultatet ville blitt etter en kollisjon mellom jorden og Theia. Et lignende tilfelle av et belte av varmt støv rundt en stjerne har man oppdaget rundt BD +20°307 (HIP 8920, SAO 75016).

Problemer med teorien
Denne teorien for månens opprinnelse har fortsatt noen uoppklarte elementer som gjenstår å få oppklart. Disse inkluderer:
Sammensetningsforholdet for volatile grunnstoffer på månen kan ikke forklares med nedslagsteorien. Dersom nedslagsteorien stemmer, må denne være forårsaket av annen årsak.
Det er ingen bevis for at jorden noen gang har hatt et magmahav (en av forutsetningene i nedslagsteorien), og det er sannsynlig at det er materie på jorden som aldri har blitt til via et magmahav.
Månens innhold av jernoksid (FeO) (13 %), som ligger midt mellom mars (18 %) og jordens (8 %), utelukker muligheten for at det meste av månens materie har sin opprinnelse fra jordskorpen.
Dersom månen hadde fått det meste av materien fra nedslagsobjektet, skulle månen være rik på siderofile grunnstoff. På månen er forekomster av disse fattige.
Funn av volatil materie, slik som vann bundet i basaltsteiner på månen, er vanskelige å forklare dersom sammenstøtet skapte varmen som ifølge scenarioet skulle til.
Månens isotopsammensetning for oksygen er lik den man finner på jorden. Oksygenets isotopsammensetning, som kan bli målt svært nøyaktig, utgjør en egen og unik signatur for hvert enkelt objekt i solsystemet. Dersom Theia hadde vært en separat proto-planet, ville den sannsynligvis hatt en annen isotopsammensetning for oksygen enn den man finner på jorden, noe som ville gitt utslag i månens blandede materie.

Alternative hypoteser
Andre teorier for månens opprinnelse inkluderer at månen har blitt slynget ut fra den smeltede jordskorpen ved hjelp av sentrifugalkraft, at månen ble dannet et annet sted og senere fanget opp av jordens gravitasjonsfelt, og at månen ble dannet samtidig og på samme sted som jorden fra samme kilde til masse. Ingen av disse teoriene kan forklare de fysiske mekanismene vi finner i jord-månesystemet.

Referanser
 

Geovitenskap
Månen
Artikler i astronomiprosjektet