Évmilliók óta rejtély övezte – kiderült, mi csapódott a Földnek 4,5 milliárd éve

Végre kiderülhet, honnan érkezett az égitest, amely a Földnek csapódva létrehozta a Holdat a Naprendszer hajnalán. A vizsgálat szerint a Hold és a Föld kőzeteiben megőrződött kémiai nyomok elárulják, hogyan nézhetett ki ez az ősi objektum.

A széles körben elfogadott elmélet szerint a Hold egy hatalmas kozmikus ütközés után jött létre. Egy Theia nevű, nagy méretű, fiatal bolygócsíra ütközhetett a Földnek, és az így szétszóródó törmelékből alakulhatott ki a Hold, amely azóta is állandó társunk az égen. Ez az ütközés nagyjából 4,5 milliárd évvel ezelőtt történhetett. A Föld ekkor fiatal volt, sem szerkezete, sem pályája nem nyerte el még végleges formáját. A becsapódás követően azonban a Föld mérete, belső struktúrája és Nap körüli mozgása egyaránt megváltozott. A Hold keletkezése ennek az óriási ütközésnek az egyik legfontosabb következménye - írja a Science Daily.

A Föld és a Theia ütközése, amelynek eredményeként a Hold létrejött.
Fotó: MARK PATERNOSTRO/SCIENCE PHOTO L / MPA

A Hold születése: mi valójában a Theia?

A kutatókat régóta foglalkoztatja, mi is volt pontosan Theia. Mekkora lehetett, miből állhatott, és a Naprendszer melyik tartományában alakulhatott ki? A feladat nem könnyű, mert a Theia önálló égitestként már nem létezik. Anyaga összeolvadt a Földdel és a Holddal. A nyomai azonban továbbra is kimutathatók a Föld és a Hold kőzeteiben. A Max Planck Naprendszer-kutató Intézet és a Chicagói Egyetem tudósai most ezekből a kémiai nyomokból próbálták „visszafejteni” a Theia történetét. Eredményeiket a rangos Science tudományos folyóiratban tették közzé.

Mit árulnak el az izotópok a Hold múltjáról?

A kutatás fő témája az izotópok vizsgálata volt. Az izotóp ugyanannak az elemnek egy másik formája. A protonok száma egyezik bennük, de a neutronok száma eltérhet, ezért a tömegük is kicsit más. A Naprendszer születésekor az izotópok nem egyformán oszlottak el. Más arányok voltak jellemzők a Naphoz közeli területekre, és más arányok a távolabbi részekre. Emiatt egy bolygó vagy akár a Hold izotópos mintázata megmutatja, hogy az anyag, amelyből kialakult, a Naprendszer melyik részéről származhat.

A kutatócsoport most minden eddiginél pontosabban mérte meg a vasizotópokat a földi és holdi kőzetekben. Először tizenöt földi mintát vizsgáltak, majd hat, az Apollo-küldetések által a Holdról visszahozott kőzetmintát is elemeztek.

Az eredmények megerősítették a korábbi kutatásokat: nemcsak a vas, hanem a króm, a kalcium, a titán és a cirkónium izotópjai esetében sincs kimutatható különbség a Föld és a Hold között. Úgy tűnik, a két égitest nagyon hasonló „izotópos ujjlenyomattal” rendelkezik.

Az izotópok összeállnak: közös történet a Föld és a Hold mögött

Első látásra azt gondolhatnánk, hogy a teljes egyezés csak egy dolgot jelenthet: a Föld és a Hold ugyanabból az anyagból épül fel. A teljes kép azonban ennél bonyolultabb.

A számítógépes modellek szerint többféle ütközési forgatókönyv is ugyanilyen végeredményhez vezethet. 

• Lehetséges, hogy a Hold főként a Theia anyagából áll. 
• De az is elképzelhető, hogy inkább a fiatal Föld anyaga dominál, 
• vagy hogy a két égitest anyaga annyira összekeveredett, hogy ma már lehetetlen megkülönböztetni őket.

A kutatók ezért nem érték be azzal, hogy „egyezik az izotópos kép”. Úgy döntöttek, hogy a Föld–Hold rendszert egy olyan kirakósnak tekintik, amelyet visszafelé haladva próbálnak összeállítani.

Felvétel a Holdról.
Fotó: KOUTA KIRIYAMA / Yomiuri

A visszafelé kirakott kozmikus puzzle

A kutatók többféle lehetőséget is végigpróbáltak: megnézték, mekkora lehetett Theia, miből állhatott, és milyen állapotban lehetett a Föld az ütközés előtt. Minden változatnál azt figyelték, hogy a számítás végül kiadja-e a mai Föld–Hold rendszert, ugyanazokkal az izotóparányokkal. Nemcsak a vas izotópjait vizsgálták. A krómot, a molibdént és a cirkóniumot is elemezték, mert ezek mind más-más információt őriznek a bolygók fejlődéséről.

A Föld belső szerkezete már jóval a nagy ütközés előtt megváltozott. Kialakult a fémes mag, és ebbe süllyedtek le a vashoz és a molibdénhez hasonló elemek. A köpenyben ezekből alig maradt valami. 

Ezért a köpenyben ma található vas egy része valószínűleg később, a Theiával együtt érkezett.

A cirkónium viszont a köpenyben marad, így végigkíséri a bolygó teljes történetét. 

A Föld és a Hold cirkóniumizotópjainak egyezése ezért erős bizonyíték arra, hogy a két égitest múltja szorosan összekapcsolódik.

Meteoritok segítenek megtalálni Theia szülőhelyét

A kutatók nemcsak a Föld és a Hold adatait vizsgálták meg, hanem a meteoritokat is. Ezek a kőzetdarabok a Naprendszer különböző részeiből származnak, ezért jól mutatják, milyen lehetett az anyag egy-egy területen. Ezután matematikai modellekkel végigpróbálták a Föld és Theia összetételének sokféle lehetséges kombinációját. Kiderült, hogy ezek közül sok egyszerűen nem működik, mert nem adja vissza a Föld és a Hold ma ismert izotópos mintázatát.

A kutatók szerint a legvalószínűbb forgatókönyv az, hogy a Föld és Theia is a Naprendszer belső részén alakult ki. Vagyis a két fiatal égitest nagy eséllyel egymás „szomszédságában” keringett, mielőtt összeütköztek.

A fiatal Föld anyagát a tudósok többnyire vissza tudják vezetni ismert meteoritcsoportokra. Ezek a meteoritok jó minták arra, milyen anyag volt elérhető a Naprendszer különböző részein. A Theia azonban különleges. Összetétele nem egyezik igazán egyetlen ismert meteoritfajtájéval sem. Az adatok alapján úgy tűnik, hogy a Theia anyagának egy része a Naphoz közelebbi térségben alakult ki, mint a Földé. A számításaik szerint ezért a legvalószínűbb, hogy Theia a Föld pályáján belül jött létre. 

Innen kerülhetett később olyan közel bolygónkhoz, hogy végül összeütköztek.