I solsystemets tidiga dagar, en första jord tros ha pulveriserats av en planet som forskare kallar Theia. Vi vet inte vad den var gjord av eller var den kom ifrån, bara att den kan ha varit lika stor som Mars. Den kraftfulla kollisionen förstörde båda planeterna så fullständigt att forskarna bara kan gissa hur de såg ut.

Vad forskarna är mer säkra på är att de två planeterna blev en massa av smält material som gradvis svalnade för att bilda jorden och månen.

"Denna smälta massa roterade runt och bildade en skiva, som funnits i några dagar. Temperaturen, som var mycket hög, svalnade långsamt och allt tungt smälte samman för att bilda jorden idag, " sa Dr. Razvan Caracas, en fysiker som studerar planeternas insida vid det franska nationella centret för vetenskaplig forskning i Lyon, Frankrike.

Dr. Caracas kör datorsimuleringar av vad som hände med denna massa av atomer och material direkt efter kollisionen som en del av ett projekt som heter IMPACT. Han använder datorkraft motsvarande 200 stationära datorer som körs i två veckor för att beräkna vad som händer under en uppsättning förhållanden efter kollisionen. Tre superdatorcenter i Frankrike kommer att tillhandahålla projektets nödvändiga 120 miljoner timmars beräkningstid på bara fem år.

Den första chockvågen efter kollisionen mellan protojorden och Theia genererade krossande tryck och temperaturer kanske så höga som 10, 000°C i mitten.

"Det är svårt att föreställa sig hur förhållandena var, " sa Dr. Caracas. Nästan hela det periodiska systemet av grundämnen skulle ha varit i ett "superkritiskt tillstånd" - en dimma av isärmonterade atomer varken i gas- eller flytande form.

Under de närmaste dagarna, tunga material som järn började bilda centrum för en ny planet - jorden.

"Metallerna skulle sakta separeras som droppar när de svalnade, och senare skulle silikaterna (mineralerna) bli flytande. Den tyngsta inre delen av jorden bildades, då skulle material ha fallit ner på planeten, " sa Caravas. "Den yttre delen av skivan skulle ha bildat en ring och så småningom ansamlats för att bilda månen."

Klocka

Medan jorden kom samman inom några dagar, månen tog förmodligen veckor eller månader att ta form, enligt Dr Caracas. Det kan till och med ha funnits två månar som kretsade den tidiga jorden, med den ena kraschar in i den andra för att skapa månen vi ser idag. Båda nypräglade kropparna hade då ett hav av smält sten.

Dr Joshua Snape, en mångeolog vid VU Amsterdam, Nederländerna, är intresserad av den tidiga månen. Han hoppas kunna fastställa dess ålder inom ett intervall av tiotals eller hundratals miljoner år. Den traditionella uppfattningen är att den bildades för cirka 4,5 miljarder år sedan.

"Något djupgående hände på månen för mellan 4,35 och 4,4 miljarder år sedan. Den enklaste förklaringen är att månmagmahavet (som täcker månen) svalnade, " sa Dr Snape.

Tack vare månens brist på tektonisk aktivitet, alla dess stenar kan berätta om denna magmaperiod – ett viktigt skede i månens bildning.

Hur lång tid det tog för magman att svalna är en avgörande fråga, säger Dr Snape. "Det är viktigt att förstå hur lång tid det här tar, eftersom vi skalar upp det vi vet om månen till andra planeter."

Eftersom månen är den enda väsentliga kroppen i solsystemet som vi har rest till och hämtat stenar från, dess prover är värdefulla för forskare. Dr. Snape har studerat förhållandet mellan isotoper av bly och uran i stenar som returnerats av Apollo-uppdragen och från månmeteoriter. Detta förhållande fungerar som en djuptidsklocka som han har använt för att beräkna när en sten bildades.

"Månen har rekord och fungerar som ett vackert labb för att förstå tidiga planetariska processer. Detta kommer att vara tillämpligt på Mars, Merkurius eller Venus, platser som är svåra för oss att komma åt, och det kan till och med berätta om vår egen planet, " sa Dr Snape.

Jorden är inte så användbar eftersom plattektoniken begraver och återvinner stenar.

"Det är därför vi älskar månen så mycket, " sade han. "Det är en skattkammare, geologiskt sett."

Hans studier kanske kan avslöja, till exempel, hur länge en planetkropp förblir aktiv med vulkanutbrott när det inte finns någon plattektonik som driver dem. Detta kan vara viktigt när det gäller att studera planeter runt andra stjärnor.

Magma hav

Dr. Snape arbetar för närvarande med ett projekt som heter MoonDiff som går ut på att försöka återskapa stenkompositioner som fanns i månmagmahavet. Mineralerna skulle inte ha kristalliserat omedelbart utan skulle ha gjort det i en sekvens som Dr. Snape nu försöker rekonstruera.

Han krossar och värmer de återskapade stenarna under förhållanden som matchar dem på månen när dess yta var en smält stenmassa. "Den här veckan kör jag experiment på en gigapascal (en miljard pascal, en tryckenhet) och 1, 200°C, " han sa.

Att känna till sekvensen som mineraler separerade från magmahavet skulle hjälpa till att förklara månens historia och dess nuvarande geologi.

"De äldsta stenarna på månen (de synliga ljusare delarna) bildas främst av ett mineral som kallas fältspat, som skulle ha flytit till toppen av det flytande magmahavet, " sa Dr Snape.

"Å andra sidan, att Apollo 12 basaltprov och andra stenar som det (som utgör de mörkare grå delarna) består främst av mineraler som skulle ha varit tätare och sjunkit till botten."

Dr Maud Boyet, en geokemist vid University of Clermont Auvergne, Frankrike, studerar jordens tidiga smältperiod och hoppas kunna fastställa när den svalnade och först blev beboelig. Att göra detta, hon undersöker jorden och månens stenar samt meteoriter genom att använda nya masspektroskopitekniker bland annat för ett projekt som heter ISOREE.

Hon säger att månstenar kan berätta för oss när den enorma kollisionen ägde rum, men för att göra det måste vi fortfarande förstå månens tidiga historia. Stenar från månens bortre sida kan hjälpa.

Månstenar som samlas in under Apollo-uppdrag kommer från den sida av månen som är vänd mot jorden. Den sida som är vänd bort från oss har en annorlunda ytsminkning. Detta kan bero på att månen genomgick en andra smältningshändelse, kanske orsakad av en andra massiv kollision.

"Vi har inga prover (samlade) från månens bortre sida, " sa Boyet. "Men vi har några meteoriter (som landade på jorden) som vi tror kom därifrån."