ماه ممکن است دست نخورده تنها چند ساعت پس از یک برخورد غول پیکر شکل گرفته باشد

محققان با استفاده از شبیه‌سازی‌های کامپیوتری پیشرفته، برخورد عظیمی را که تصور می‌شود حدود 4.5 میلیارد سال پیش بین زمین جوان و جسمی به اندازه مریخ رخ داده است، بررسی کردند. نتایج آنها بسته به دما و خواص ساختاری دو جسم، نتایج بسیار متفاوتی را نشان می‌دهد.

یافته ها در منتشر شده است نامه های مجله اخترفیزیکی. برای اولین بار، شبیه سازی ها قدرت مادی دو دنیای باستانی را نشان می دهند. این افزوده می‌تواند درک دانشمندان را از برخوردی که ماه را تشکیل می‌دهد تغییر دهد و همچنین می‌تواند در زمان وقوع آن به کاهش آن کمک کند.

آدین دنتون، محقق سابق فوق دکترا در آزمایشگاه قمری و سیاره ای که اکنون در SwRI است، می گوید: «ما دریافتیم که زمین شناسی موجود یک ماه اولیه به اندازه مریخ مهم است. زمانی که شما زمین و ماه را به عنوان اجسامی در حال برخورد با ویژگی های زمین شناسی شبیه سازی می کنید، نحوه شکل گیری ماه در اثر آن ضربه را تغییر می دهید – چیزی که قبلاً فکر می کردیم غیر ضروری است.

بازبینی نظریه ضربه غول پیکر

یکی از توضیحات اصلی در مورد منشا ماه، سناریوی برخورد غول پیکر است. بر اساس این ایده، جسمی به اندازه مریخ به نام تیا با زمین اولیه برخورد کرد. این برخورد تیا را نابود کرد و بقایای آن را به مدار زمین فرستاد و دیسکی را ایجاد کرد که در نهایت روی ماه جمع شد.

یک مطالعه اساسی در سال 2001 در مورد این سناریو توسط رابین کاناپ، معاون بخش علوم و تحقیقات منظومه شمسی SwRI در بولدر، کولو، و اریک آسفاگ، استاد آزمایشگاه قمری و سیاره‌ای و یکی از نویسندگان مطالعه جدید انجام شد.

این شبیه‌سازی‌های اولیه، همراه با بسیاری از مدل‌های بعدی، استحکام مواد را در نظر نگرفتند. دانشمندان پیشنهاد می کنند که برخورد آنقدر پرانرژی بوده که اجسام صخره ای را می توان به طور موثر به عنوان مایع در نظر گرفت.

دنتون و همکارانش تصمیم گرفتند آزمایش کنند که آیا این فرض موجه است یا خیر. با استفاده از روش‌های محاسباتی پیشرفته، آن‌ها برای اولین بار قدرت زمین‌شناسی وابسته به دما را در شبیه‌سازی شکل‌گیری ماه وارد کردند.

آسفاگ گفت: «از آنجایی که تصور می‌شد این برخورد به اندازه‌ای قوی است که بخش‌های بزرگی از زمین و تیا را ذوب و تبخیر کند، این مقالات قبلی فرض می‌کردند که تقریب آن‌ها به صورت مایع خوب است. با این حال، بر اساس نتایج جدید ما، فکر می کنیم زمان آن رسیده است که تجدید نظر کنیم.

افزودن زمین شناسی واقعی به برخورد

برای بررسی مجدد شوک غول پیکر، دنتون از شکل پیشرفته تری از شبیه سازی هیدرودینامیک ذرات صاف یا SPH استفاده کرد. این شبیه‌سازی‌ها قدرت ساختاری اجسام درگیر را به‌جای اینکه آنها را کاملاً سیال در نظر بگیرند، در نظر می‌گیرند.

دنتون که هنگام کار بر روی مقاله قبلی درباره شکل‌گیری منظومه پلوتون-چارون، ایده اعمال این مفهوم را در قمر زمین دریافت کرد، گفت: «به نظر می‌رسد که وقتی برخورد بین اجرام کوچک‌تری مانند سیارک‌ها، سیارات کوتوله و قمرها را مطالعه می‌کنید، قدرت این ماده واقعاً مهم است. “ما مطمئن نبودیم که آیا این تفاوتی برای ماه ما ایجاد می کند یا نه. وقتی شبیه سازی ها را انجام دادیم، متوجه شدیم که در واقع تفاوت بسیار زیادی ایجاد می کند.”

نسخه SPH مورد استفاده در این مطالعه در U of A و دانشگاه برن در سوئیس توسعه یافته است. مدل استحکام آن به مواد سیاره‌ای شبیه‌سازی‌شده اجازه می‌دهد تا در برابر تغییر شکل‌ها به روش‌هایی سازگارتر با مواد زمین‌شناسی واقعی، از جمله سنگ‌ها و فلزاتی که احتمالا Theia و Proto-Earth یا یخ جامد را ساخته‌اند، مقاومت کند.

ماه می تواند به طرق مختلف شکل بگیرد

معلوم شد که دما اهمیت ویژه ای دارد. اجسام سیاره‌ای داغ‌تر از نظر مکانیکی ضعیف‌تر از آن‌هایی هستند که سردتر هستند، و شبیه‌سازی‌ها نشان داده‌اند که این تفاوت می‌تواند به‌طور چشمگیری بر آنچه پس از برخورد اتفاق می‌افتد تأثیر بگذارد.

تحت شرایط خاصی، این برخورد تیا را نابود می کند و یک دیسک پیش ماه گسترده در اطراف زمین ایجاد می کند. سپس مواد موجود در این دیسک به تدریج جمع شدند و ماه را تشکیل دادند.

اما شبیه سازی های دیگر نتیجه بسیار چشمگیرتری را به همراه داشت. به جای اینکه به آرامی از زباله ها شکل بگیرد، یک ماه کاملا دست نخورده تنها در چند ساعت پدیدار شد.

از آنجایی که پیش سیاره‌های جوان معمولاً با گرم شدن شروع می‌شوند و با افزایش سن به تدریج سرد می‌شوند، این نتیجه ارتباط بالقوه مهمی بین زمان‌بندی برخورد غول‌پیکر و نحوه شکل‌گیری ماه در ابتدا فراهم می‌کند.

دنتون می‌گوید: «بسته به اینکه زمین و ماه قبل از برخورد چقدر داغ بوده‌اند، این برخورد می‌تواند تیا را از بین ببرد و این دیسک زباله عظیم را ایجاد کند که در نهایت ماه را تشکیل داد. اما زمانی که ما از پارامترهای مشابه مدل‌سازی ضربه اولیه استفاده کردیم – برای ساختارهای دمایی یکسان در هر دو بدن – در عرض حدود پنج ساعت، یک ماه دست نخورده پدیدار شد.

شبیه‌سازی‌های قبلی نیز قمرهای دست نخورده را تولید کرده‌اند، اما کار جدید اولین کاری است که نشان می‌دهد استحکام و دمای مواد می‌تواند برای تعیین اینکه آیا ماه تا حد زیادی دست‌نخورده تشکیل شده یا به تدریج از زباله‌های پردازش‌شده در یک دیسک پیش‌ماه جمع شده است، مرکزی باشد.

سرنخ های جدید در مورد زمان تولد ماه

این یافته ها به طور بالقوه می تواند ویژگی های امروزی ماه را با وضعیت فیزیکی زمین و تیا میلیاردها سال پیش مرتبط کند.

Canup که در این تحقیق شرکت نداشت، گفت: «این نتایج شگفت‌انگیز و هیجان‌انگیز جدید، ارتباط بالقوه‌ای بین ویژگی‌های فیزیکی ماه امروزی، از جمله محتوای فرار آن، و وضعیت حرارتی زمین و Theia در زمان برخورد غول‌پیکر را نشان می‌دهد.» این به نوبه خود می تواند به دانشمندان کمک کند تا زمان وقوع رویداد تشکیل ماه را بهتر محدود کنند.

با این حال، یک معمای بزرگ حل نشده باقی مانده است.

زمین و ماه ترکیب‌های بسیار مشابهی دارند، چیزی که مدل‌های برخورد غول‌پیکر مدت‌ها در تلاش برای توضیح کامل آن هستند. شبیه سازی های جدید این مشکل را برطرف نمی کند.

دنتون می گوید: «از آنجایی که زمین و مریخ در یک همسایگی منظومه شمسی شکل گرفته اند، مانند خواهر و برادر هستند. ماه و زمین بیشتر شبیه دوقلوهای برادر هستند.

یک احتمال این است که Theia و Proto-Earth از موادی در همان منطقه از منظومه شمسی اولیه تشکیل شده اند. مریخ، که ترکیب آن با زمین و ماه متفاوت است، ممکن است دورتر شکل گرفته باشد.

پنجره ای جدید بر سرچشمه های ماه

این مطالعه با نشان دادن اینکه وضعیت درونی زمین و تیا می تواند بر نتیجه برخورد آنها تأثیر زیادی بگذارد، روش دیگری را برای کاوش در یکی از بزرگترین اسرار علم سیاره به محققان ارائه می دهد.

نامیا بایجل، یکی از نویسندگان این مطالعه، دانشجوی دکترا در گروه آسفاوگ، گفت: اکنون می دانیم که وضعیت ژئوفیزیک زمین و تیا نقش مهمی در شکل دادن به نتیجه برخورد ایفا می کند. “این روش جدیدی را برای مطالعه شرایط برخورد و آنچه که آنها می توانند در مورد منشاء ماه آشکار کنند به ما می دهد.”