Nastanak sustava Zemlja-Mjesec

19. ožujka 2007. |

Prvo pitanje koje se postavlja glasi: ‘Kako uopće nastaju planeti?’

Kad se oblak plina i prašine, iz kojeg će nastati zvjezdani sustav, počne zgušnjavati dolazi istodobno i do njegove rotacije. Čestice se sudaraju, spajaju, rastu i tvore sve veću masu u centru. Tu nastaje zvijezda. No, ovisno o gustoći odn. masi proto-zvijezde, na određenoj udaljenosti preostale čestice oblaka imati će dovoljnu brzinu da se odupru gravitaciji iz centra, da ne padnu na zvijezdu. To je ono područje gdje nastaju planeti – područje planetarnog diska (slika 1).

Sl. 1. Približan izgled u vrijeme nastanka sunčevog sustava

Prije nego centralna zvijezda upali svoj nuklearni reaktor i zračenjem ‘otpuše’ sve lake čestice daleko od sebe, u njenoj najbližoj okolini vlada sve veća gužva. Česti su sudari koji ponekad znače razaranje, ponekad spajanje, pa nastaje velik broj tijela veličine nekoliko desetaka kilometara. Kad napokon zvijezda ‘proradi’ njena okolina se počne brzo pročišćavati.

Ukoliko do tog trenutka blizu zvijezde nije formirano dovoljno veliko tijelo da privuče veliku količinu lakih plinova, poput vodika ili helija, ovi će biti otjerani vrlo daleko. Upravo to se dogodilo u sunčevom sustavu. Tek u vanjskom dijelu otpuhnuti vodik je uspio formirati četiri plinovita diva.

U unutrašnjem dijelu materijal se prorijedio, no ipak je još ostalo mnogo prašine (od više km) s brzinom dovoljnom da ne padne na novo sunce, da ostane na eliptičnoj putanji. I dalje je dolazilo do sudara i spajanja u sve veća tijela. Rast je bio, po nekim pretpostavkama, vrlo brz u astronomskom smislu. To znači da bi se prašina mogla povećati do veličine Zemlje za nepunih sto miliona godina.

Svakako se prilikom takvih sudara oslobađala ogromna količina energije. Iz toga slijedi da su prvobitni planeti morali biti potpuno rastaljeni. A moramo uzeti u obzir i da je međuzvjezdani materijal poprilično kontaminiran radioaktivnim tvarima koje su se sad našle i u protoplanetima i još više doprinijele zagrijavanju.
Međutim, ima nešto što je dugo zbunjivalo znanstvenike.

Ako je mlado Sunce otpuhnulo lake plinove daleko, onda bi gustoća svih tijela bliže Suncu trebala biti puno veća od onih udaljenijih (npr. Jupiter ima gustoću 1,33 g/cm3). I kad pogledamo zaista tako i je. Merkur ima gustoću 5,43 g/cm3, Venera 5,24, Zemlja 5,52, već daleki Mars ima manje, 3,94.

No Mjesec se ne uklapa! Njegova gustoća je 3,3! Kako to?

Bilo je raznih pretpostavki o njegovom nastanku. Jedna je govorila o njegovom nastanku zajedno sa Zemljom, kao dvojni planet. Ali upravo zbog ovolike razlike u gustoći nije mogao nastati u istom području. Bio bi približno iste gustoće.

Druga pretpostavka govorila je da je Mjesec nastao u nekom drugom području sunčevog sustava, ali je nekim poremećajem putanje zarana morao doći u blizinu Zemlje koja ga je zarobila. I ta teorija ‘slabo drži’. Uzorci doneseni s Mjeseca pokazali su nešto vrlo zanimljivo. Sastav ispitanih stijena bio je vrlo nalik na sastav stijena zemaljske kore. Ne samo po većini elemenata nego i po omjeru nekih elemenata. To nije moglo biti slučajno!
Pretpostavka koja je bila poznata odavno, da je Mjesec zapravo nastao od Zemlje, sad se pojačala. Rastaljena Zemlja je toliko brzo rotirala da se jedan dio odvojio. To bi možda i bilo prihvaćeno da nije bilo nečeg čudnog. U mjesečevim stijenama osijećao se kronični nedostatak nekih lakih elemenata zastupljenih u zemljinoj kori i potpuni nedostatak vode. Tako je i ova Teorija izgubila vrijednost. Što se onda dogodilo?

Čini se da je nađen pravi put. Bill Hartmann iznio je iduću pretpostavku. Tijekom formiranja sunčevog sustava, na sličnim putanjama su se našla dva veća tijela. Prvo je bilo protozemlja, a drugo, jedno tijelo veličine Marsa. Putanje su im se sijekle i moralo je kad-tad doći do sudara. Možda je to bio i najveći sudar u sunčevom sustavu.

U sudaru se manje tijelo potpuno raspalo, dok je veće jedva preživjelo i asimiliralo ostatke manjeg. Čestice koje su se razletjele doživjele su različite sudbine. Neke su izbačene u druge dijelove sunčevog sustava, neke su (prvenstveno one masivnije) ponovo pale na preostalo tijelo, a neke su ostale kružiti u orbiti. Ove poslijednje polako su se spajale (što je bilo olakšano zbog rastaljene ljepljive mase) u orbiti i formirale su novo, manje tijelo – Mjesec. Bilo je to u rekordnom vremenu, dok još nije sav materijal iz orbite stigao pasti na novu Zemlju. Neke pretpostavke govore o redu veličine od samo tisuću godina. Tom teorijom se objašnjava i nedostatak lakših elemenata i vode na Mjesecu. Oni su posve isparili u toj kataklizmi.

No drugo pitanje je kada se to dogodilo?

Zemljina kora ovdje nam, na žalost, ne može pomoći. Znamo da je Zemlja vrlo aktivan planet i tijekom povijesti svi tragovi prvobitne kore su nepovratno uništeni. Najstarije pronađene stijene nastale su prije oko 4 milijarde godina, a najstariji pronađeni minerali (Cirkoni u zapadnoj Australiji) nastali su pred 4,1 – 4,3 milijardi godina. To ipak nije dovoljno jer je sunčev sustav nastao pred više od 4,5 milijardi godina. Nema stijene-svjedoka iz toga doba.

Ako dokaze ne možemo naći na Zemlji potražimo ih na Mjesecu.
Da bismo znali što nam točno treba, moramo imati na umu iduću činjenicu. Mjesečeva rotacija sinkronizirana  je s obilaskom oko Zemlje i vjerojatno je takva bila i u vrijeme nastanka.

To znači da plimne sile Zemlje ne djeluju drastično na Mjesec (djeluju samo zbog nejednake udaljenosti s obzirom da se Mjesec giba po elipsi). Stoga na Mjesecu nema tragova velike geološke aktivnosti (termin geološka aktivnost uobičajeno se koristi za sve planete, mjesece i manja tijela).

Sl. 2. Rasjed ‘Veliki zid’ unutar jednog mjesečevog kratera  

Sve velike reljefne raznolikosti (slika 2) Mjeseca poslijedica su udara meteorita. Ako je udar bio jak, kora je probijena i razlila se magma tvoreći bazaltne bazene (tamna mjesečeva mora). Svijetli dijelovi, planine, rubovi kratera i sl. odnosno ono što nije prekrila razlivena lava, zadržalo je osobine koje je imalo prilikom nastanka. To su najstariji dijelovi.

Znači tu treba tražiti starost Mjeseca! No pretpostavka nastanka govori još nešto. Ako je Mjesec u početku bio rastaljen onda su po logici stvari oni najlakši materijali morali isplivati na površinu. Jedna od najlakših stijena (koja je morala isplivati već tijekom srastanja Mjeseca) je i anortozit. Bilo je potrebno naći tu stijenu da bi se ustanovila starost i da bi se put na Mjesec uopće mogao znanstveno opravdati.

Prve tri posade koje su se spustile na Mjesec nisu uopće imale značajni zadatak. Međutim, posada Apolla 15 je prošla geološku obuku i dobila je zadatak prepoznati i pokupiti anortozit s Mjeseca. Bila je to prava znanstvena ekspedicija (slika 3), a David Scott i James Irwin završili su je na najbolji mogući način.

Sl. 3. Apollo 15 donio je prvo ‘osobno vozilo’ na Mjesec

Pronašli su traženu stijenu, a radio-izotopnom analizom na Zemlji, ustanovljena je starost od 4,5 milijardi godina. Bila je to prava potvrda teorije i pravo datiranje nastanka sustava Zemlja-Mjesec.

Sve se uklopilo. Materijal koji nepromijenjen lebdi u sunčevom sustavu od njegovog nastanka, ponekad padne na Zemlju kao meteorit. Starost takvih meteorita je često 4,6 ili 4,7 milijardi godina. Ti meteoriti, međutim, ne govore da je i Zemlja formirana u to doba i upravo stoga su tek uzorci s Mjeseca pružili krunske dokaze o početku, o starosti sustava od 4,5 milijardi godina.

Sav taj rizik i napor da se pobijedi u nekakvoj svemirskoj utrci i da se osiguraju politički bodovi, na kraju je neočekivano urodio čvrstim znanstvenim dokazom o postanku našeg sustava.

Ipak, još jedno pitanje ostaje otvoreno. Teorija o postanku iz sudara je vrlo dobra što bi upućivalo da geolozi moraju naći odgovor na idući problem i uklopiti ga u teoriju.
Već je spomenuto da je Mjesec sastavljen od materijala kao i Zemljina kora i, naravno, iste je gustoće kao i Zemljina kora (3,3 g/cm3). Zato se pretpostavlja da je sudar bio blizu tangencijalnog, gotovo da je manje tijelo ‘oljuštilo’ koru i da je onda od tog materijala nastao Mjesec.

Ali…!

Mjerenja radioaktivnih raspada govore da se separacija težih elemenata u Zemlji dogodila pred oko 4,3 milijarde godina, odnosno u to doba se počela formirati jezgra od težih elemenata. Ako su se teži elementi tek tada počeli odvajati i tonuti u središte Zemlje to znači da ih je u vrijeme sudara moralo još uvijek biti prilično mnogo i u vanjskim dijelovima. A ako je od vanjskih dijelova proto-zemlje nastao Mjesec onda bi, po tome, on morao biti veće gustoće, uz veći broj težih elemenata. Odgovor na ovu zagonetku najbolje bi mogla dati dobra kompjutorska simulacija sudara u koju bi bio uključen geološki sastav tadašnjih tijela.

No kako do toga još nije došlo (ili je barem autoru članka nepoznato da je takvu simulaciju netko izveo – op.a.) onda bi to trebao biti poticaj onim geolozima koje ovo područje osobito zanima da se malo pozabave tim problemom.

U svakom slučaju problemi su tu da se riješe. Tehnika je tu da nam pomogne. Zabava slijedi.

Korištena literatura

Z. Marković, 1992/1993: Čovjek i svemir 4/5/6, Zvjezdarnica Zagreb
D. McNab, J, Younger, 1999.: Planeti, BBC