Den topografiska (A), skorptjocklek (B), och månens toriumfördelning visar en dramatisk skillnad mellan närsidan och bortsidan. Stjärnan på närsidan representerar mitten av den föreslagna nedslagsbassängen. De svarta streckade linjerna representerar gränsen för Imbrium (Im), Orientale (eller), och Apollo (Ap) bassäng, respektive. Kredit:JGR:Planets/Zhu et al. 2019/AGU.
Den skarpa skillnaden mellan månens kraftigt kraterade bortre sida och de lägre öppna bassängerna i den mot jorden vända närsidan har förbryllat forskare i årtionden.
Nu, nya bevis om månens skorpa tyder på att skillnaderna orsakades av en egensinnig dvärgplanet som kolliderade med månen i solsystemets tidiga historia. En rapport om den nya forskningen har publicerats i AGU's Journal of Geophysical Research : Planeter .
Mysteriet med månens två ansikten började under Apollo-eran när de första vyerna av dess bortre sida avslöjade de överraskande skillnaderna. Mätningar som gjordes av uppdraget Gravity Recovery and Interior Laboratory (GRAIL) 2012 fyllde i mer detaljer om månens struktur – inklusive hur dess skorpa är tjockare och innehåller ett extra lager av material på dess baksida.
Det finns ett antal idéer som har använts för att försöka förklara månens asymmetri. Den ena är att det en gång fanns två månar som kretsade runt jorden och de slogs samman under de allra första dagarna av månens bildning. En annan idé är att en stor kropp, kanske en ung dvärgplanet, befann sig i en bana runt solen som satte den på kollisionskurs med månen. Denna sistnämnda idé om gigantiska nedslag skulle ha hänt något senare än ett scenario med sammansmältning av månar och efter att månen hade bildat en fast skorpa, sa Meng Hua Zhu från Space Science Institute vid Macau University of Science and Technology och huvudförfattare till den nya studien. Tecken på en sådan påverkan borde vara synliga i månskorpans struktur idag.
"De detaljerade gravitationsdata som erhållits av GRAIL har gett ny insikt om månskorpans struktur under ytan, " sa Zhu.
De nya rönen från GRAIL gav Zhus team av forskare ett tydligare mål att sikta på med datorsimuleringarna som de använde för att testa olika scenarier för tidiga månen. Studiens författare körde 360 datorsimuleringar av gigantiska nedslag med månen för att ta reda på om en sådan händelse för miljontals år sedan kunde reproducera skorpan på dagens måne som upptäckts av GRAIL.
Den bassängbildande processen för en stötkropp med en diameter på 780 kilometer (med en järnkärna på 200 kilometer i diameter) med en anslagshastighet på 14, 000 miles per timme (22, 500 km/h). I varje panel, de vänstra halvorna representerar materialen som används i modellen:gabbroisk anortosit (ljusgrön), dunit (blå), och järn (orange) representerar månskorpan, mantel, och kärna, respektive. Den gabbroiska anortositen (blekgul) representerar också stötkroppsmaterialet. De högra halvorna representerar temperaturvariationen under slagprocessen. Pilarna i (C) och (D) representerar de lokala materialen som flyttades och bildade den nya skorpan tillsammans med avlagringar av material som sprängdes från stöten. Kredit:JGR:Planets/Zhu et al. 2019/AGU.
De fann att den bästa passformen för dagens asymmetriska måne är en stor kropp, cirka 480 miles (780 kilometer) i diameter, smackar in i månens närsida vid 14, 000 miles per timme (22, 500 kilometer i timmen). Det skulle motsvara ett objekt som är lite mindre än dvärgplaneten Ceres som rör sig med en hastighet ungefär en fjärdedel så snabbt som meteorstenarna och sandkornen som brinner upp som "stjärnskott" i jordens atmosfär. En annan bra passform för de effektkombinationer som teamet modellerade är en något mindre, 450 mil (720 kilometer) diameter, föremål som slår med en något snabbare 15, 000 miles per timme (24, 500 kilometer i timmen).
Under båda dessa scenarier, modellen visar att nedslaget skulle ha kastat upp enorma mängder material som skulle falla tillbaka på månens yta, begrava urskorpan på bortsidan i 3 till 6 miles (5 till 10 kilometer) skräp. Det är det extra lagret av skorpa som detekteras på baksidan av GRAL, enligt Zhu.
Den nya studien tyder på att stötkroppen sannolikt inte var en tidig andra måne av jorden. Oavsett vad slagkraften var – en asteroid eller en dvärgplanet – var den förmodligen på sin egen bana runt solen när den mötte månen, sa Zhu.
Jätteeffektmodellen ger också en bra förklaring till de oförklarade skillnaderna i isotoper av kalium, fosfor och sällsynta jordartsmetaller som volfram-182 mellan jordens och månens ytor, förklarar forskarna. Dessa element kunde ha kommit från den gigantiska effekten, som skulle ha tillfört det materialet till månen efter dess bildande, enligt studiens författare.
"Vår modell kan alltså förklara denna isotopanomali i samband med det gigantiska nedslagsscenariot för månens ursprung." skriver forskarna.
Den nya studien föreslår inte bara ett svar på pågående frågor om månen, men kan också ge insikt i strukturen hos andra asymmetriska världar i vårt solsystem som Mars skrev forskarna.
"Det här är ett papper som kommer att vara mycket provocerande, sa Steve Hauck, professor i planetgeodynamik vid Case Western Reserve University och chefredaktör för JGR:Planets. "Att förstå ursprunget till skillnaderna mellan månens närsida och bortsida är en grundläggande fråga inom månvetenskapen. flera planeter har halvsfäriska dikotomier, men för månen har vi mycket data att kunna testa modeller och hypoteser med, så implikationerna av arbetet kan sannolikt vara bredare än bara månen."
