Formazione della Luna: nuova teoria getta altra luce

Secondo la teoria più accettata, la Luna si formò circa 4,5 miliardi di anni fa quando un oggetto delle dimensioni di Marte chiamato Theia si scontrò con la Terra ( ipotesi dell’impatto gigante ). Questo impatto ha sollevato notevoli quantità di detriti che si sono gradualmente coalizzati per formare l’unico satellite naturale della Terra. Una delle prove più convincenti per questa teoria è il fatto che la Terra e la Luna sono notevolmente simili in termini di composizione.

Tuttavia, studi precedenti riguardanti simulazioni al computer avevano dimostrato che se la Luna fosse stata creata da un impatto gigantesco, avrebbe dovuto trattenere più materiale dal dispositivo di simulazione stesso. Ma secondo un nuovo studio condotto da un team dell’Università del New Mexico, è possibile che la Terra e la Luna non siano così simili come si pensava in precedenza.

Lo studio che descrive le loro scoperte, intitolato “Composizioni distinte di isotopi di ossigeno della Terra e della Luna “, è recentemente apparso sulla rivista Nature Geoscience . Lo studio è stato condotto da Erick J. Cano e Zachary D. Sharp del Dipartimento di scienze planetarie e planetarie dell’UNM e Charles K. Shearer dell’Institute of Meteoritics dell’UNM.

La teoria secondo cui la Terra e la Luna erano un tempo un solo corpo esiste dal XIX secolo. Ma non è stato fino a quando gli astronauti dell’Apollo hanno riportato campioni di roccia che gli scienziati hanno avuto prove definitive che la Terra e la Luna si sono formate insieme. Questi campioni hanno mostrato che come la Terra, la Luna era composta da minerali di silicato e metalli differenziati tra un nucleo di metallo e un mantello e una crosta di silicato.

Mentre la Luna ha meno ferro e meno in termini di elementi più leggeri, l’ipotesi dell’impatto gigante lo spiega abbastanza bene. Il ferro, un elemento particolarmente pesante, sarebbe stato trattenuto dalla Terra mentre il calore e la forza esplosiva dell’impatto facevano ribollire gli elementi più leggeri ed essere espulsi nello spazio. Il resto del materiale proveniente dalla Terra e da Theia si sarebbe quindi raffreddato e poi mescolato per formare la Terra e la Luna come le conosciamo oggi.

Questa teoria spiega anche la velocità e la natura con cui la Luna orbita attorno alla Terra; in particolare, come è bloccato in modo ordinato con il nostro pianeta. Tuttavia, studi precedenti riguardanti simulazioni al computer hanno dimostrato che in questo scenario, circa l’80% della Luna dovrebbe essere costituito da materiale originato da Theia.

Ciò rappresenta un grave dilemma per astronomi e geologi e varie teorie sono state avanzate per spiegarlo. In uno scenario, Theia era simile nella composizione alla Terra, il che spiegherebbe perché la Terra e la Luna sembrano così simili. In un altro, la miscelazione dei materiali è stata molto accurata, al punto che sia la Terra che la Luna mantengono elementi di Theia.

Le sostanze chimiche che hanno reso possibile la vita sulla Terra potrebbero provenire da un altro pianeta che si è scontrato con la Terra, formando la Luna. Credito di immagine: Rice University
Le sostanze chimiche che hanno reso possibile la vita sulla Terra potrebbero provenire da un altro pianeta che si è scontrato con la Terra, formando la Luna. Credito di immagine: Rice University

Sfortunatamente, queste spiegazioni non sono coerenti con ciò che sappiamo del Sistema Solare o presentano problemi teorici propri. Per far luce su questo, Cano e i suoi colleghi hanno considerato un’incoerenza chiave con l’ipotesi dell’impatto gigante. Fondamentalmente, quando gli scienziati hanno esaminato i campioni di roccia lunare dell’Apollo, hanno notato che i valori dell’isotopo di ossigeno erano praticamente identici a quelli trovati nelle rocce qui sulla Terra.

Se l’ipotesi dell’impatto gigante è corretta, allora i precursori della Terra e della Luna avevano o valori identici per cominciare, o l’omogeneizzazione estesa ha avuto luogo dopo l’evento di impatto. Per risolvere questo problema, Cano e i suoi colleghi hanno condotto un’isotopo di ossigeno ad alta precisione su una gamma di diverse rocce lunari. Ciò che hanno scoperto è che le rocce lunari hanno mostrato concentrazioni più elevate di isotopi di ossigeno più leggeri della Terra.

Inoltre, le differenze aumentano quanto più profonda è la sonda dalla crosta nel mantello. Attribuiscono questo al fatto che la crosta è il punto in cui i detriti della Terra e di Theia si sarebbero mescolati, mentre l’interno è il luogo in cui il materiale di Theia sarebbe più concentrato. Come riassumono nel loro studio:

“I valori dell’isotopo di ossigeno dei campioni lunari sono correlati alla litologia e proponiamo che le differenze possano essere spiegate mescolando tra vapore leggero isotopico, generato dall’impatto, e la porzione più esterna del primo oceano lunare di magma lunare. I nostri dati suggeriscono che i campioni derivati ​​dal mantello lunare profondo, che sono isotopicamente pesanti rispetto alla Terra, hanno composizioni isotopiche che sono più rappresentative dell’impattore proto-lunare “Theia”. “

Scatta una simulazione dell'impatto gigante che ha creato il sistema Terra-Luna. Credito: Yale News / Natsuki Hosono (et al.) 2019
Scatta una simulazione dell’impatto gigante che ha creato il sistema Terra-Luna. Credito: Yale News / Natsuki Hosono (et al.) 2019

In sintesi, i risultati della ricerca del team mostrano che la Terra e Theia non erano simili nella composizione, il che fornisce la prima prova definitiva che Theia probabilmente si è formata più lontano dal Sole rispetto alla Terra. Allo stesso modo, il loro lavoro mostra che le distinte composizioni di isotopi di ossigeno di Theia e Terra non sono state completamente omogeneizzate dall’impatto che forma la Luna.

Questo studio ricorda la ricerca recentemente condotta da un team di Yale e del Tokyo Institute of Technology . Secondo il loro lavoro, la Terra era ancora una sfera calda di magma quando ebbe luogo l’impatto che formava la Luna. Questo è ciò che avrebbe permesso che il materiale proveniente da Theia andasse perso nello spazio mentre il materiale proveniente dalla Terra si sarebbe rapidamente formato per formare la Luna.

Se il materiale proveniente da Theia è stato perso nello spazio o trattenuto come parte degli interni della Luna è una domanda che gli scienziati saranno in grado di esaminare in modo più completo grazie alle numerose missioni di ritorno del campione che avverranno nei prossimi anni. Questi includono la NASA che rimanda gli astronauti sulla superficie lunare ( Progetto Artemis ) e rover multipli inviati dalla Cina ( missioni Chang’e 5 e Chang’e 6 ).

Questi e altri misteri sull’unico satellite terrestre hanno buone probabilità di ricevere presto una risposta.

Teoria dell’impatto gigante

La teoria dell’impatto gigante è quella maggiormente accettata dalla comunità scientifica. Fu proposta nel 1975 da William Hartmann e Donald Davis, che ipotizzarono l’impatto di un corpo delle dimensioni di Marte, chiamato Theia o Orpheus, con la Terra. Da quest’impatto, nell’orbita circumterrestre si sarebbe generato abbastanza materiale da permettere la formazione della Luna.

Anche l’astronomo canadese Alastair G. W. Cameron era un convinto sostenitore di questa tesi. Inoltre, si pensa che i pianeti si siano formati attraverso un’accessione di corpi più piccoli in oggetti maggiori, ed è riconosciuto che impatti come questo potrebbero essere avvenuti anche per altri pianeti.

Simulazioni dell’impatto al computer riescono a predire sia il valore del momento angolare del sistema Terra-Luna, sia la piccola dimensione del nucleo lunare. L’ipotetico corpo Theia si sarebbe formato in un punto di Lagrange relativo alla Terra, ossia in una posizione gravitazionalmente stabile lungo la stessa orbita del nostro pianeta.

Qui Theia si sarebbe accresciuto progressivamente inglobando i planetesimi e i detriti che occupavano in gran numero le regioni interne del sistema solare poco dopo la sua formazione. Quando Theia crebbe fino a raggiungere la dimensione di Marte, la sua massa divenne troppo elevata per restare stabilmente nel punto di Lagrange, soprattutto considerando l’influenza di Giove nel turbare le orbite degli altri pianeti del sistema solare.

Dopo decenni di ipotesi, tre studi indipendenti confermano la teoria dell’impatto planetario gigante, proposta negli anni Sessanta. Secondo tale ipotesi, la Luna sarebbe nata 4,5 miliardi di anni fa da una gigantesca collisione fra la Terra primordiale e un pianeta delle dimensioni di Marte, chiamato Theia (nella mitologia greca era la madre di Selene, la luna).

In accordo con questa teoria, 34 milioni di anni dopo la formazione della Terra (circa 4533 milioni di anni fa) questo corpo colpì la Terra con un angolo obliquo, distruggendosi e proiettando nello spazio sia i suoi frammenti sia una porzione significativa del mantello terrestre.

L’urto avvenne con un angolo di 45° e a una velocità di circa 4 km/s (circa 14 400 km/h), ad una velocità inferiore di quella che Theia si suppone avesse nello stato di corpo orbitante (40 000 km/h), e siccome i due pianeti erano ancora allo stato fuso e quindi plastici, ancora prima dello scontro fisico le forze mareali avevano iniziato a distorcerne gli stati superficiali prima ed a smembrarne la protocrosta e il protomantello poi.

Sembra inoltre che quasi la totalità della massa lunare sia di derivazione dalla crosta e dal mantello della proto-Terra. La proto-Terra, colpita da Theia, avrebbe dimezzato il suo tempo di rotazione dalle originali 8 ore a 4 ore.

Secondo alcuni calcoli il due per cento della massa di Theia formò un anello di detriti, mentre circa metà della sua massa si unì per formare la Luna, processo che potrebbe essersi completato nell’arco di un secolo. È anche possibile che una parte del nucleo di Theia, più pesante, sia affondata nella Terra stessa fondendosi con il nucleo originario del nostro pianeta.

Si ritiene che un simile impatto avrebbe completamente sterilizzato la superficie terrestre, provocando l’evaporazione degli eventuali mari primordiali e la distruzione di ogni tipo di molecola complessa. Se mai sulla Terra fossero già all’opera processi di formazione di molecole organiche, l’impatto di Theia dovrebbe averli bruscamente interrotti.

Inoltre è stato suggerito che in conseguenza dell’impatto si siano formati altri oggetti di dimensioni significative, ma comunque inferiori a quelle della Luna, che avrebbero continuato ad orbitare attorno alla Terra, magari occupando uno dei punti di Lagrange del sistema Terra-Luna.

Nell’arco di un centinaio di milioni di anni al più, le azioni gravitazionali degli altri pianeti e del Sole ne avrebbero comunque destabilizzato le orbite, causandone la fuga dal sistema o delle collisioni con il pianeta o con la Luna.

Uno studio pubblicato nel 2011 suggerisce che una collisione tra la Luna e uno di questi corpi minori dalle dimensioni pari ad un trentesimo di quelle lunari potrebbe aver causato le notevoli differenze in caratteristiche fisiche esistenti tra le due facce della Luna.

Le simulazioni condotte suggeriscono che, se l’impatto tra i due satelliti fosse avvenuto con velocità sufficientemente bassa, non avrebbe condotto alla formazione di un cratere, ma il materiale del corpo minore si sarebbe “spalmato” sulla Luna aggiungendo alla sua superficie uno spesso strato di crosta degli altipiani che vediamo occupare la faccia nascosta della Luna, la cui crosta è spessa circa 50 km più di quella della faccia visibile.

Nel 2001 la ricercatrice statunitense Robin Canup ha modificato la teoria dell’impatto gigante illustrando che la neonata Luna sarebbe stata collocata su un’orbita non stabile e sarebbe ricaduta sul pianeta. L’attuale inclinazione dell’asse di rotazione terrestre è frutto di un secondo impatto.

I due lati della luna
I due lati della luna. Credito d’immagine: LRO

La teoria del doppio impatto nasce perché, con un singolo impatto, non si sarebbe avuta la quantità di materia necessaria a formare la Luna, in quanto la massa del disco che si sarebbe condensata a seguito del primo impatto, sarebbe stata circa 2 volte inferiore a quella dell’attuale massa lunare. Inoltre solo parte di questo materiale era oltre il limite di Roche, quindi non si sarebbe mai potuto aggregare per formare un satellite di grosse dimensioni.

Uno studio pubblicato nel 2017 ha proposto che l’impatto in seguito al quale si sarebbe formata la Luna avrebbe contribuito ad accrescere la massa terrestre ben più di quanto in precedenza ipotizzato.

Indizi geologici

Gli indizi che avvalorano questa teoria derivano dalle rocce raccolte durante gli atterraggi delle missioni Apollo, che mostrarono composizioni di isotopi di ossigeno quasi uguali a quelle terrestri. Inoltre la presenza di campioni di rocce di tipo KREEP (ovvero contenenti K = potassio, REE = Terre rare (Rare Earth Elements (EN) ), P = fosforo) indicano che in un periodo anteriore una grande parte della Luna fosse in uno stato fluido e la teoria dell’impatto gigante spiega facilmente l’origine dell’energia richiesta per formare un tale oceano di lava.

Esistono diverse prove che la Luna possiede un nucleo ferroso, anche se piccolo. In particolare la densità media, il momento di inerzia e l’induzione magnetica suggeriscono che deve essere circa un quarto del raggio lunare.

Per confronto gli altri corpi di tipo terrestre hanno un nucleo pari a metà del raggio. La Luna si sarebbe quindi formata principalmente da materiale proveniente dal mantello terrestre e dall’oggetto che ha impattato mentre il nucleo di quest’ultimo si sarebbe unito alla Terra, spiegando in questo modo il valore del momento angolare.

Gli interrogativi ancora aperti che riguardano questa ipotesi sono:

  • Alcuni elementi volatili della Luna non si sono esauriti come previsto dalla teoria.
  • La percentuale di ossido di ferro (FeO) della Luna implica che il materiale proto-lunare proverrebbe da una piccola frazione del mantello terrestre;
  • Se il materiale proto-lunare proviene dal corpo che ha impattato, la Luna dovrebbe essere ricca di elementi siderofili, ma ne sono state rilevate quantità minime.

Controprove

Uno studio del maggio 2011 condotto dalla NASA porta elementi che tendono a smentire questa ipotesi. Lo studio, eseguito su campioni vulcanici lunari solidificatisi 3,7 miliardi di anni fa e raccolti dalla missione Apollo 17 del 1972, ha permesso di misurare nel magma lunare una concentrazione d’acqua 100 volte superiore a quelle precedentemente stimate.

Le rocce vulcaniche tendono a includere all’interno delle loro microstrutture cristalline alcuni elementi volatili, tra cui l’acqua, e con analisi molto sofisticate è possibile ricavare la quantità d’acqua presente nel suolo lunare. Secondo la teoria dell’impatto l’acqua dovrebbe essersi dissolta quasi completamente durante l’impatto, mentre dai dati qui ricavati la quantità d’acqua stimata è simile a quella presente nella crosta terrestre.

Studi successivi hanno evidenziato come quest’acqua fosse distribuita e la sua ipotetica origine, portando ad analizzare in modo più dettagliato le rocce lunari e andando ad ipotizzare come la Luna sia composta per un 50% da Theia.

 

Riferimenti e approfondimenti

  1. William K. Hartmann and Donald R. DavisSatellite-sized planetesimals and lunar origin, (International Astronomical Union, Colloquium on Planetary Satellites, Cornell University, Ithaca, N. Y., Aug. 18-21, 1974) Icarus, vol. 24, Apr. 1975, p. 504-515
  2. Alastair G. W. Cameron and William R. WardThe Origin of the Moon, Abstracts of the Lunar and Planetary Science Conference, volume 7, page 120, 1976
  3. R. Canup and K. Righter, editors. Origin of the Earth and Moon. University of Arizona Press, Tucscon, 2000.555 pp
  4. Charles Shearer and 15 coauthors, Thermal and magmatic evolution of the Moon, in Reviews in Mineralogy and Geochemistry, vol. 60, 2006, pp. 365-518.
  5. Amici della Scienza

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