La collisione con Theia generò gli oceani e la Luna dice uno studio

L’idea che un flusso di comete cariche di acqua si schiantano sul nostro pianeta dando alla Terra i suoi oceani è una teoria piacevolmente accettata da decenni. Ora però gli scienziati hanno suggerito che è bastato un solo grande oggetto di dimensioni come quelle di Marte per inondare il nostro pianeta; penetrando dal Sistema Solare esterno e ha formato anche la Luna.

A differenza dei giganti del ghiaccio che orbitano lontano dal Sole, si dice che il nostro pianeta e gli altri corpi rocciosi si siano formati nel sistema solare interno. Da studi precedenti, gli scienziati sono stati in grado di accertare che il Sistema Solare si è formato in modo tale che i materiali “asciutti”, cioè quelli privi di una notevole quantità di acqua, si sono separati dai considerati materiali “bagnati”.

Questa linea di ragionamento viene ora confermata da due tipi di meteoriti; “non carboniosi” relativamente secchi che provengono dal Sistema Solare interno e dalle cosiddette meteoriti “carboniose”, che sono più abbondanti di H2O e provengono dal lontano Sistema Solare esterno. Perché allora il nostro pianeta è molto ricco di acqua rispetto ai nostri piccoli vicini rocciosi? Molti planetologi concordano sul fatto che un ampio bombardamento di comete sia piovuto nel Sistema Solare per spiegarne l’abbondanza. Lo stesso potrebbe essere accaduto con Venere o Marte, ma l’acqua è scomparsa per un motivo o per l’altro.

Molti sono anche dell’opinione che la Luna, si sia formato quando un corpo di dimensioni planetarie si è scontrato con la giovane Terra. La natura esatta dell’impatto e la sua conseguente ricaduta non sono state concordate a pieno, ma si pensa che l’oggetto chiamato Theia si sia originato nel sistema solare interno vicino alla Terra.

theia
Collisione tra Theia e la Terra avvenuta 4,4 miliardi di anni fa

Questa ipotesi viene ora rivalutata mentre i ricercatori dell’Università di Münster (Germania) hanno dimostrato, per la prima volta, che l’acqua è arrivata sulla Terra con la formazione della Luna circa 4,4 miliardi di anni fa e che il visitatore non fu in realtà locale ma proveniente dal sistema solare esterno.

L’ingrediente essenziale di questo nuovo studio sono gli isotopi di un metallo bianco-argenteo essenziale per la vita; molibdeno. Un isotopo è una variante di un particolare elemento chimico che ha lo stesso numero di protoni, ma un diverso numero di neutroni.  Il molibdeno non si trova naturalmente come metallo libero sulla Terra perché è soggetto a perdere i suoi elettroni; invece forma facilmente legami con altri elementi ed è ampiamente utilizzato nella produzione di acciaio. Altamente resistente alla corrosione, questo metallo duttile ora sta aiutando gli scienziati a risolvere due enigmi chiave nelle scienze planetarie: il contenuto di acqua della Terra e la formazione della Luna.

“Gli isotopi del molibdeno ci permettono di distinguere chiaramente il materiale carbonioso e non carbonioso e in quanto tale rappresentano una” impronta genetica “del materiale proveniente dal sistema solare esterno ed interno”, spiega il dott. Gerrit Budde dell’Istituto di planetologia di Münster e capo autore dello studio.

Che cosa dice questa ‘impronta genetica’ a Budde e ai colleghi sul prolifico contenuto d’acqua del nostro pianeta? Le misurazioni della composizione isotopica del molibdeno della Terra si collocano tra quelle dei meteoriti carboniosi e non carboniosi, il che significa che parte del molibdeno terrestre hanno avuto origine nel sistema solare esterno. Poiché il molibdeno ama legarsi con altri metalli, specialmente il ferro, la maggior parte del molibdeno trovato sulla Terra si trova nel nostro nucleo fuso. “Il molibdeno che è accessibile oggi nel mantello della Terra, ha avuro quindi origine dagli ultimi stadi della formazione della Terra, mentre il molibdeno dalle fasi precedenti è confinato interamente nel nucleo”, spiega il dott. Christoph Burkhardt, secondo autore dello studio.

Questo dicono i ricercatori, è la prova che il materiale carbonioso proveniente dal sistema solare esterno è arrivato sul nostro pianeta in ritardo. Quindi dal momento che gran parte del molibdeno nel mantello terrestre proviene dal sistema solare esterno significa che anche Theia proviene dalla stessa regione di spazio. Inoltre il materiale carbonioso proveniente da Theia fu sufficiente a fornire l’intera quantità di acqua sulla Terra dopo lo scontro.

“La nostra ipotesi è unica poichè per la prima volta ci consente di associare l’origine dell’acqua sulla Terra alla formazione della Luna”, dice Thorsten Kleine, professore di Planetologia all’Università di Münster. “Per dirla in parole semplici, senza la Luna probabilmente non ci sarebbe vita sulla Terra.”

Studio della NASA: la luna è fatta di materiale dalla Terra, non di Theia

Circa 4,5 miliardi di anni fa, si ipotizza che una roccia di dimensioni di Marte si sia scontrata con la proto-Terra. La collisione è uno dei pochi modi per creare un sistema Terra-Luna con le proprietà che osserviamo oggi. Potrebbe anche aver parzialmente re-liquefatto la superficie terrestre, distrutto i valori delle proprietà caotiche e creato un’atmosfera di vapore metallico plasma attorno al nostro pianeta e all’enorme nube di detriti arrabbiati che ora la circondano.

Ma ci sono sempre stati problemi irrisolti con la Giant Impact Hypothesis (d’ora in poi abbreviato GIH). Il problema principale è nel rispondere alla domanda su cosa è successo a Theia che apparentemente ha colpito il nostro pianeta. Nella spiegazione convenzionale per il GIH, il materiale di Theia diventa di base per gran parte della Luna, mescolato con del materiale proveniente dalla Terra.

formazione della Luna

Il rapporto isotopico dell’ossigeno trovato sulla Luna è essenzialmente identico a quello della terra Terra. I rapporti isotopici di ossigeno, che possiamo misurare con grande precisione, sono diversi per ciascun corpo nel sistema solare. L’unica ragione per cui la Terra e la Luna hanno lo stesso rapporto è che siano fatti dello stesso materiale. Ma se la Luna è composta da un impattatore come teorizzato, i rapporti di elementi siderofili (elementi affini ai metalli ) dovrebbe essere diversi da quelli che sono. Nello specifico, dovremmo trovarene più in abbondanza.

Un nuovo articolo dallo scienziato planetario Kevin Righter della Divisione Astromaterials Research and Exploration Science Division (ARES) della NASA sostiene l’idea che la Luna si sia formata principalmente da Theia. Righter ha costruito un modello per confrontare le concentrazioni di 14 elementi siderofili specifici nell’ultimo sistema Terra-Luna controllando vari aspetti della collisione iniziale sulla base di quello che sappiamo sulla Luna. In definitiva, il modello in cui la maggior parte del materiale della Luna proviene dalla Terra è molto più adatto per la disposizione degli elementi siderofili che vediamo oggi rispetto a qualsiasi modello teorizzato in cui la Luna sia per lo più composta dai probabili “ingredienti” di Theia. Il video qui sotto mostra l’evoluzione della superficie della Luna (nella nostra migliore comprensione attuale) dopo la sua formazione fino ai giorni nostri.

“I ricercatori hanno analizzato piccoli sottoinsiemi di questi elementi nel passato, ma questa è la prima volta che tutti e 14 gli elementi sono stati esaminati insieme per analizzare il sistema Terra-Luna”, ha detto Righter. “Simulando i principali processi che contribuiscono alla formazione della Luna e alla differenziazione precoce siamo stati in grado di prevedere l’abbondanza di ogni elemento che dovrebbe essere presente nel mantello della Luna.”

Righter ha esaminato il suo modello con le rocce lunari reali trovate dagli astronauti dell’Apollo trovando una forte corrispondenza per 9 dei 14 siderofili volatili presenti nei campioni di roccia. Nel caso degli altri cinque, Righter crede che possano essersi allontanati dalla nube di gas creata dall’impatto iniziale e dissipati via dal sistema o da Theia, spiegando perché la Luna è più carente di questi materiali di quanto dovrebbe essere.

Uno dei problemi con la riconciliazione di queste differenze è che risulta alquanto difficile fornire energia sufficiente per liquefare completamente e rimescolare le roccie in modo omogeneo. È qui che entra in gioco l’idea dell’atmosfera di roccia fusa a cui ha fatto riferimento una vecchia teoria per spiegare le somiglianze nella composizione tra la Terra e la Luna, risalente al 2007, spiega che si è formata un’atmosfera comune di metallo tra i due corpi post-impatto mescolandoli tra loro e determinando la configurazione che vediamo oggi.

In definitiva, questo sembra il tipo di problema che potrebbe essere sostanzialmente compreso da una più profonda esplorazione della geologia lunare. Ci sono domande fondamentali sull’opportunità o meno che le rocce lunari recuperate dagli astronauti dell’Apollo rappresentino un’immagine accurata della storia geologica della luna. Mentre la NASA ha deliberatamente scelto siti di atterraggio in diversi crateri e aree nel tentativo di recuperare campioni di roccia che riflettessero punti diversi nel tempo, la ricerca successiva ha suggerito che l’impatto che ha creato il bacino di Imbrium potrebbe essere stato abbastanza grande da depositare detriti in tutti i siti che gli astronauti originali di Apollo hanno visitato. Invece di campionare le rocce di tutta la storia della Luna, potremmo aver provato solo lo stesso evento.

Storia della teoria dell’impatto gigante

La teoria dell’impatto gigante è quella maggiormente accettata dalla comunità scientifica[7]. 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 alcuni 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.

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 prototerra. La prototerra, 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 del secondo impatto. 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.

 

Riferimenti e approfondimenti

  1. Nature Astronomy  “Molybdenum isotopic evidence for the late accretion of outer Solar System material to Earth“, di Gerrit Budde, Christoph Burkhardt e Thorsten Kleine William K. Hartmann and Donald R. Davis,
  2. Satellite-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
  3.  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
  4.  Canup and K. Righter, editors. Origin of the Earth and Moon. University of Arizona Press, Tucscon, 2000.555 pp
  5. Charles Shearer and 15 coauthors, Thermal and magmatic evolution of the Moon, in Reviews in Mineralogy and Geochemistry, vol. 60, 2006, pp. 365-518.
  6. Dana Mackenzie, The Big Splat, or How Our Moon Came to Be, 2003, John Wiley & Sons, ISBN 0-471-15057-6.
  7. G. Jeffrey Taylor, Origin of the Earth and Moon, su psrd.hawaii.edu, 31 dicembre 1998.

 

 

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