Odkiaľ sa vzal Mesiac?

(preklad článku BBC - Where did the Moon come from?)

Žiadny iný satelit nie je v porovnaní so svojou planétou taký veľký ako Mesiac v porovnaní so Zemou. Ako je možné, že Zem má takého obrovského suseda?

Mesiac je záhadný. Každý na Zemi ho vidí, ale vždy vidíme iba jednu jeho stranu. Ovplyvňuje oceánske vlny, rozmnožovanie zvierat a dokonca i ľudský spánok.

A napriek tomu až do roku 1969 nik na Mesiac nevstúpil. Aj v roku 2015, takmer o pol storočia neskôr, môžeme povedať, že tam bolo iba dvanásť ľudí.

Vďaka astronautom, ktorí navštívili Mesiac, a taktiež mnohým nemenovaným sondám, ktoré tam boli tiež, teraz vieme mnoho o mesačnom „mejkape“. Napriek všetkým týmto znalostiam ale vedci stále majú problém zodpovedať zdanlivo jednoduchú otázku: odkiaľ sa Mesiac vzal?

Odkotúľal sa nejakým spôsobom od Zeme? Potuloval sa Slnečnou sústavou a potom ho čosi pritiahlo a donútilo navždy nás obiehať? Alebo sa stalo niečo „apokalyptické“, čo mu dalo život?

Galileo Galilei použil pri skúmaní Mesiaca vylepšený ďalekohľad.

Naši predkovia sa na Mesiac nemohli dostať, ale to im nezabránilo v úvahách, odkiaľ sa asi vzal.

Taliansky astronóm, fyzik a filozof Galileo Galilei značne prispel k spoznávaniu Mesiaca, keď sa mu podarilo vytvoriť dostatočne silný ďalekohľad, ktorý ukazoval Mesiac omnoho detailnejšie, než bolo predtým vôbec možné.

Začiatkom 17. storočia Galileo preukázal, že Mesiac má povrch podobný povrchu Zeme. Bol členitý, mal kopce aj nížiny. To bol prvý náznak, že Zem a Mesiac sa sformovali spoločne.

Keď sa presunieme do 19. storočia, syn Charlesa Darwina, George, mal nápad. Naznačil, že keď bola Zem mladá, rotovala veľmi rýchlo, v dôsledku čoho časť z nej odletela do vesmíru a vytvorila Mesiac. Tichý oceán je údajne jazvou tohto „(od)štiepenia“.

Táto teória nezískala veľa pozornosti a po druhej svetovej vojne prišiel na rad úplne iný nápad.

Povrch Mesiaca pokrývajú kopce, nížiny a krátery.

Chemik Harold Urey tvrdil, že Mesiac prišiel z inej časti galaxie a ako prechádzal Slnečnou sústavou, pritiahla ho zemská gravitácia.

Táto „teória „prichytenia“ má v mnohom pravdu. Mesiac je v porovnaní so Zemou veľký – na satelit až nezvyčajne –, ale ak vznikol inde, dáva to zmysel. Teória taktiež vysvetľuje, prečo Mesiac vidíme vždy z tej istej strany, pretože presne tak sa správajú „prichytené“ objekty.

Niektorých vedcov to však nepresvedčilo. Neboli si istí, či by Zem dokázala „prichytiť“ Mesiac bez toho, že by sa narušila obežná dráha. Mysleli si i to, že dve telesá by sa pravdepodobne zrazili.

Našlo sa však možné riešenie. Ak bola v tom čase atmosféra Zeme dosť veľká, mohla sa zachovať ako obrí airbag, čím by spomalila Mesiac skôr, než by stihol uniknúť späť do vesmíru. To sa však zdá dosť nepravdepodobné.

Odvrátená strana Mesiaca zo Zeme nikdy nie je viditeľná.

Vedci zaoberajúci sa Mesiacom potrebovali teóriu, ktorá by bola konzistentná s niekoľkými kľúčovými pozorovaniami. V prvom rade, Mesiac je relatívne veľký, a taktiež sa i zrýchľuje, čo znamená, že sa postupne čoraz väčšmi vzďaľuje od Zeme.

Jednou z teórií bola tzv. teória akrécie (narastania). Predpokladá, že Mesiac a Zem sa sformovali spolu – vznikli z obrieho rotujúceho disku tvoreného hmotou, ktorá obklopovala čiernu dieru.

Táto teória však veľmi rýchlo zanikla. Nedokázala totiž vysvetliť rýchlosť, akou Mesiac obieha Zem. Astronómovia tiež vypočítali, že Mesiac bol len spolovice hustý ako Zem, čo značí, že sa pravdepodobne nesformovali z toho istého akrečného disku. A posledná vec, nebol tu žiadny náznak prítomnosti čiernej diery.

Znamenalo to, že Ureyho teória „prichytenia“ ostala dominantná aj počas 60. rokov 20. storočia, v čase, keď Spojené štáty americké začali s pokusmi vyslať na Mesiac ľudskú posádku. Ak mal Urey pravdu, Mesiac by mal mať odlišné chemické zloženie než Zem.

Aby tento predpoklad potvrdili, resp. vyvrátili, astronauti misie Apollo dostali úlohu priniesť späť vzorky mesačných hornín. Dáta z týchto vzoriek ale všetky teórie rozdrvili na prach.

Astronaut John W. Young počas prechádzky na Mesiaci, misia Apollo 16.

Prvou obeťou bola teória Georgea Darwina. Vzorky mesačných hornín ukázali, že Mesiac je omnoho starší ako Tichý oceán, z ktorého mal údajne vzísť.

„Najstaršími horninami na Mesiaci boli biele anortozity,“ vraví Alex Halliday z Oxfordskej univerzity v Spojenom kráľovstve. Keďže minerál nie je veľmi hustý, bežne sa plaví na roztavenej magme, čiže by bol objavený skôr blízko k zemskému povrchu, nie v jeho hlbinách.

No najokrajovejšia vrstva zemskej kôry je stará zhruba iba 200 miliónov rokov. Nemôže to byť teda zdroj mesačných hornín.

Aj Ureyho teória „prichytenia“ dostala tvrdú ranu.

Vzorka mesačnej horniny, ktorú priniesli astronauti z misie Apollo 15.

Všetkých prekvapilo, že vzorky mesačných hornín a pôdy ukázali, že Mesiac je chemicky takmer identický so Zemou. Keby sa sformovali zvlášť, čosi také by bolo veľmi nepravdepodobné, ako vravel i Urey.

Horniny tiež preukázali, že Mesiac vznikol asi o 29 miliónov rokov neskôr než ostatné objekty v jeho veľkosti, čo sa nachádzajú v Slnečnej sústave.

Zdá sa, že mal ohnivý počiatok. Tmavé oblasti jeho povrchu naznačujú, že bol kedysi pokrytý hlbokým oceánom tekutej magmy.

Všetky teórie pôvodu Mesiaca by museli brať do úvahy všetky predošlé informácie. Ani jedna z existujúcich teórií to však nedokázala, preto misie Apollo viedli k „obdobiu hlbokej zmätenosti“, ako napísal vo svojom článku Jay Melosh z Purdueskej univerzity vo West Lafayette v štáte Indiana v roku 2014. „Z mesačných hornín sme získali veľké množstvo podrobných detailov o Mesiaci, ale neobjavil sa žiadny jasný obraz jeho pôvodu.“

Theia sa objavuje nad prvotnou Zemou.

V roku 1975, tri roky po poslednom pristátí Apolla, vznikol nový nápad. Teória veľkého impaktu bola výrazne dramatická.

Keď sa pred 4,5 miliardami rokov formovala Slnečná sústava, svišťali ňou všemožné druhy hornín. William Hartmann a Donald Davis z Inštitútu planetológie v arizonskom Tucsone navrhli, že možno jedna z nich trafila Zem.

Musel to byť naozaj veľký kus horniny: asi vo veľkosti planéty Mars, ktorá má hmotnosť zhruba jednej desatiny Zeme. Táto hypotetická planéta, nazvaná Theia, spôsobila masívny bočný náraz, čosi ako biliardová guľa pri zasiahnutí ostatných gúľ na stole.

Táto zrážka spôsobila, že sa odkotúľala vrchná vrstva Zeme a vytvorila obriu roztavenú guľu. Tá žiarivo horela a „okupovala“ zhruba tretinu zemskej oblohy, až kým nevychladla a nevzdialila sa.

Mesiac má nezvyčajnú obežnú dráhu, ktorú je zložité vysvetliť.

Túto kolíziu sa snažili nasimulovať v počítačoch a zistili, že funguje vcelku dobre. V prvom rade, dokáže vysvetliť, prečo je železné jadro Mesiaca veľké zhruba ako polovica zemského jadra. Theiino jadro zrástlo so zemským, takže Mesiacu už z neho veľa nezvýšilo.

Vysvetľuje aj, prečo má Mesiac tak málo prvkov, ktoré sa ľahko vyparujú a menia na plyny. Teplota kolízie ich vystrelila do vesmíru.

A posledná vec, relatívne veľkosti Zeme a Theie vysvetľujú rýchlosť mesačnej obežnej dráhy.

V dôsledku toho Halliday nazýva impakt „najmenej nesprávnym vysvetlením“. Ale stále ostáva jeden veľký problém.

Kus anortozitu.

Presne tento istý problém znemožnil pravdivosť Ureyho teórie „prichytenia“: Zem a Mesiac sú chemicky jednoducho príliš podobné.

Mnohé prvky existujú v jemne odlišných variantách, zvaných izotopy. Každý atóm tvoria tri menšie častice – protóny, elektróny a neutróny. Každý atóm daného prvku musí mať rovnaký počet protónov a elektrónov, ale počet neutrónov sa líši, vďaka čomu vznikajú izotopy.

Izotopy sa správajú ako akýsi chemický odtlačok prsta. Ak máte pred sebou neznámy materiál, stačí pozrieť na zmes izotopov, ktoré obsahuje, a to vám naznačí, odkiaľ pravdepodobne pochádza.

V prípade mesačných hornín by mali niektoré izotopy pochádzať zo Zeme a niektoré z Theie, takže zloženie izotopov by malo byť niekde na pomedzí. V skutočnosti je však ich zloženie takmer rovnaké ako zloženie hornín na Zemi. Ak teda Theia jestvovala, na Mesiaci nezanechala žiadnu stopu.

Mladá Zem a Mesiac boli spaľujúco horúce.

V tom spočíva problém teórie veľkého impaktu.

Izotopy volfrámu a kremíka sú obzvlášť zradné, pretože vznikajú počas formácie planetárnych jadier.

„Každá planéta má odlišný príbeh vzniku svojho jadra, takže by ste očakávali, že dostanete odlišný signál,“ vraví Halliday. „Tieto izotopy naznačujú, že atómy Mesiaca pochádzajú priamo zo Zeme.“

Melosh nazýva toto zistenie „izotopová kríza“. Dosiaľ sa jej však nepodarilo „zabiť“ hypotézu impaktu.

Mesiac konečne dosiahol priemer rovný štvrtine priemeru Zeme.

Najjednoduchšie možné vysvetlenie je, že Theia mala úplnou náhodou rovnaký izotopový podpis ako Zem, zrejme preto, že vznikla neďaleko. No simulácie ranej Slnečnej sústavy nasvedčujú, že pravdepodobnosť takého javu je menšia ako 1%.

V súvislosti s tým treba podotknúť, že nepoznáme žiadne iné teleso v Slnečnej sústave, ktoré by malo izotopové zloženie podobné Zemi a Mesiacu. Vedci by radi získali vzorky meteoritov z Venuše a Merkúra, aby zistili, či majú podobné izotopy, ale je to beh na dlhú trať.

Na druhej strane, možno bola zrážka taká prudká, že Theia i Zem sa roztavili a ich atómy sa zmiešali. To by vysvetľovalo, prečo sú Zem a Mesiac natoľko podobné, ale ani zďaleka netušíme, či sa taký katastrofický impakt vôbec mohol stať.

Prišli aj teórie, že teleso, ktoré do Zeme vrazilo, bolo tvorené najmä ľadom. Vo vonkajšej Slnečnej sústave sa nachádza množstvo takýchto ľadových gúľ, jedna teda mohla pokojne veľkou rýchlosťou „zablúdiť“ k Zemi.

Aj v takom prípade by ale mohlo zo Zeme pochádzať iba 73% Mesiaca – a to nie je dosť na vysvetlenie izotopov. Problém je, že Theia musela do Zeme vraziť neskutočne rýchlo, inak by Mesiac skončil na inej dráhe.

Theiin náraz vyvrhol obrovské množstvo úlomkov.

Možno k tomu veľkému nárazu Theie ani nedošlo. V roku 2012 Matija Ćuk a Sarah Stewart z Harvardovej univerzity v massachusettskom Cambridgei prišli so spôsobom, ako sa mu vyhnúť.

Tvrdili, že Zem veľmi rýchlo rotovala už vtedy, keď do nej Theia narazila. Ak sa otáčala dostatočne rapídnou rýchlosťou, vznikla dostatočná hybná sila, ktorá by dostala Mesiac na správnu obežnú dráhu. Žiadny prudký bočný náraz nebol potrebný: Theia mohla trafiť Zem priamo.

To znamená, že Theia mohla byť omnoho menšia, než sa pôvodne tvrdilo, stačili by 2% zemskej hmotnosti. A teda Mesiac mohol byť tvorený najmä materiálom zo Zeme.

Táto idea „zatriasla zemou pod všetkými predošlými teóriami“, vraví Melosh.

Spln Mesiaca, ako ho vidíme zo Zeme.

V apríli 2015 prišlo viac dôkazov na podporu hypotézy veľkého impaktu.

Alessandra Mastrobuono-Battisti z izraelského Technologického inštitútu v Haife spolu s kolegami uskutočnila detailnejšiu simuláciu, ako sa objekty správali v ranej Slnečnej sústave.

Zistili, že objekty, ktoré vrážali do planét, boli daným planétam omnoho podobnejšie, než sme si predtým mysleli. Zrazu pravdepodobnosť, že Theia a Zem sa výrazne podobali, narástla z 1% až na 20%.

Nie je to síce najvyššia pravdepodobnosť, ale aspoň uľahčuje vysvetlenie podobnosti Zeme a Mesiaca.

Mesiac vznikol z trosiek, ktoré do vesmíru vyvrhla Theia.

Tak či onak, ešte nie sme na konci. „Stále nám čosi chýba,“ vraví Stewartová.

Väčšina bádateľov si v súčasnosti myslí, že riešenie bude nejakou verziou teórie veľkého impaktu, ale stále ešte nie sú presvedčivo vysvetlené izotopy, a na to treba ešte trochu „dolaďovania“.

Najväčším problémom je objaviť teóriu, podľa ktorej by každý aspekt Zeme a Mesiaca vyzeral rozumne a pravdepodobne. Pokým teória „vyžaduje“ od Theie, aby mala konkrétnu hmotnosť alebo trafila Zem tým správnym spôsobom, vždy bude otvorená pochybnostiam.

Časť dôvodu, prečo je okolo vzniku Mesiaca toľko záujmu, spočíva v tom, aký je Mesiac nezvyčajný. Možno by nás nemalo prekvapiť, ak jeho vznik bol v skutočnosti iba výsledkom šťastnej náhody.