En studie ledd av forskare från University of Colorado Boulder ger ny insikt om månens överdrivna ekvatorialbukta, en egenskap som stelnade på plats för över fyra miljarder år sedan när månen gradvis tog avstånd från jorden.

Forskningen sätter parametrar på hur snabbt månen kunde ha dragit sig tillbaka från jorden och antyder att den begynnande planetens hydrosfär var antingen obefintlig eller fortfarande frusen vid den tiden, indirekt stödja teorin om en svagare, svagare sol som vid den tiden utstrålade runt 30 procent mindre energi än vad den gör idag.

"Månens fossila utbuktning kan innehålla hemligheter om jordens tidiga evolution som inte registrerades någon annanstans, sa Shijie Zhong, en professor vid CU Boulders institution för fysik och medförfattare till den nya forskningen. "Vår modell fångar två tidsberoende processer och det här är första gången som någon har kunnat sätta tidsskala begränsningar på tidig månrecession."

Månen drar sig för närvarande tillbaka från jorden med en hastighet av cirka 4 centimeter per år enligt månlaserobservationer från Apollo-uppdragen. Lågkonjunkturen tros bero på gravitations- eller tidvattensamverkan mellan jorden och månen. Samma process gör också att jordens rotation saktar ner och dagslängden ökar.

Forskare har teoretiserat att tidvatten- och rotationskrafter formade månen efter att den separerade från jorden, svalnade och flyttade längre från planeten. Effekterna av dessa krafter plattade månen något vid dess poler och stelnade en permanent utbuktning i månskorpan, skapa funktionen känd som den fossila bulan. För cirka 200 år sedan, Den franske matematikern och fysikern Pierre-Simon Laplace fastställde att månens ekvatorialutbuktning var 20 gånger för stor för dess rotationshastighet ett varv per månad.

Tidpunkten och de nödvändiga förhållandena för denna fossila utbuktning har förblivit i stort sett okända med tanke på att inga fysiska modeller någonsin har formulerats för denna process. Med hjälp av en första i sitt slag dynamisk modell, Zhong och hans kollegor fastställde att processen inte var plötslig utan ganska långsam, varade i flera hundra miljoner år när månen flyttade bort från jorden under Hadean-eran, eller för cirka 4 miljarder år sedan.

Men för att det skulle ha varit fallet, Jordens energiförlust som svar på tidvattenkrafter - som till stor del kontrolleras av haven för den nuvarande jorden - skulle ha minskat kraftigt vid den tiden.

"Jordens hydrosfär, om det ens fanns på Hadeans tid, kan ha varit frusen hela vägen ner, som nästan skulle ha eliminerat tidvattenavledning eller friktion, "Zhong sa, tillägger att en svagare, svagare unga Sun kunde ha möjliggjort sådana förhållanden i teorin.

Hypotesen "snöbollsjorden" har tidigare föreslagits för den neoproterozoiska eran för cirka 600 miljoner år sedan baserat på geologiska uppgifter. Liknande idéer har också tagit upp möjligheten av en svagare ung sol, men direkt observationsbevis i det geologiska arkivet saknas för närvarande, gör det till föremål för debatt bland forskare.

Forskarna planerar att fortsätta att optimera sin modell och kommer att försöka fylla i andra kunskapsluckor om månen och jordens tidiga dagar för mellan 3,8 och 4,5 miljarder år sedan.

Studien publicerades nyligen online i Geofysiska forskningsbrev , en tidskrift från American Geophysical Union.