Kredit:Unsplash/CC0 Public Domain
För cirka 4,4 miljarder år sedan liknade det tidiga solsystemet en omgång rymdstensboll, som massiva asteroider och kometer, och senare slog mindre stenar och galaktiskt skräp ner månen och andra spädbarns terrestra kroppar. Denna period slutade för cirka 3,8 miljarder år sedan. På månen lämnade denna tumultartade tid efter sig ett kraftigt kraterförsett ansikte och en sprucken och porös skorpa.
Nu har MIT-forskare funnit att månskorpans porositet, som når långt under ytan, kan avslöja en hel del om månens historia av bombardement.
I en studie som visas i Nature Geoscience , teamet har visat genom simuleringar att månen tidigt under bombardementsperioden var mycket porös - nästan en tredjedel så porös som pimpsten. Denna höga porositet var sannolikt ett resultat av tidiga, massiva effekter som krossade mycket av skorpan.
Forskare har antagit att en kontinuerlig anstormning av effekter långsamt skulle bygga upp porositet. Men överraskande nog fann teamet att nästan all månens porositet bildades snabbt med dessa massiva imapcts, och att de fortsatta angreppen från mindre impactors faktiskt komprimerade dess yta. Dessa senare, mindre stötar verkade istället för att klämma och kompaktera några av månens befintliga sprickor och förkastningar.
Från sina simuleringar uppskattade forskarna också att månen upplevde dubbelt så många nedslag som kan ses på ytan. Denna uppskattning är lägre än vad andra har antagit.
"Tidigare uppskattningar satte den siffran mycket högre, så många som 10 gånger de effekter som vi ser på ytan, och vi förutspår att det var färre effekter", säger studiens medförfattare Jason Soderblom, en forskare vid MIT:s Department of Earth , Atmosfäriska och planetära vetenskaper (EAPS). "Det är viktigt eftersom det begränsar det totala materialet som stötor som asteroider och kometer förde till månen och jordkroppar, och ger begränsningar för bildningen och utvecklingen av planeter i hela solsystemet."
Studiens huvudförfattare är EAPS postdoc Ya Huei Huang, tillsammans med medarbetare vid Purdue University och Auburn University.
En porös skiva
I lagets nya studie försökte forskarna spåra månens föränderliga porositet och använda dessa förändringar under ytan för att uppskatta antalet nedslag som inträffade på dess yta.
"Vi vet att månen var så bombarderad att det vi ser på ytan inte längre är ett register över varje inverkan månen någonsin har haft, för vid någon tidpunkt raderade nedslag tidigare nedslag", säger Söderblom. "Vad vi finner är att det sätt påverkningar skapade porositet i skorpan inte förstörs, och det kan ge oss en bättre begränsning av det totala antalet nedslag som månen var utsatt för."
För att spåra utvecklingen av månens porositet tittade teamet på mätningar gjorda av NASA:s Gravity Recovery and Interior Laboratory, eller GRAIL, ett MIT-designat uppdrag som lanserade dubbla rymdskepp runt månen för att exakt kartlägga ytgravitationen.
Forskare har omvandlat uppdragets gravitationskartor till detaljerade kartor över tätheten av månens underliggande skorpa. Från dessa densitetskartor har forskare också kunnat kartlägga den nuvarande porositeten i hela månskorpan. Dessa kartor visar att områden som omger de yngsta kratrarna är mycket porösa, medan mindre porösa områden omger äldre kratrar.
Kraterkronologi
I sin nya studie försökte Huang, Soderblom och deras kollegor simulera hur månens porositet förändrades när den bombarderades med först stora och sedan mindre nedslag. De inkluderade i sin simulering ålder, storlek och placering av de 77 största kratrarna på månens yta, tillsammans med GRAIL-härledda uppskattningar av varje kraters nuvarande porositet. Simuleringen inkluderar alla kända bassänger, från de äldsta till de yngsta nedslagsbassängerna på månen, och spänner över åldrarna mellan 4,3 miljarder och 3,8 miljarder år gamla.
För sina simuleringar använde teamet de yngsta kratrarna med den högsta dagens porositet som utgångspunkt för att representera månens initiala porositet i de tidiga stadierna av det tunga månbombardementet. De resonerade att äldre kratrar som bildades i de tidiga stadierna skulle ha börjat mycket porösa men skulle ha blivit utsatta för ytterligare effekter med tiden som komprimerade och minskade deras ursprungliga porositet. Däremot skulle yngre kratrar, även om de bildades senare, ha upplevt färre om några efterföljande nedslag. Deras underliggande porositet skulle då vara mer representativ för månens initiala förhållanden.
"Vi använder den yngsta bassängen som vi har på månen, som inte har varit föremål för alltför många stötar, och använder det som ett sätt att börja som initiala förhållanden," förklarar Huang. "Vi använder sedan en ekvation för att justera antalet stötar som behövs för att komma från den initiala porositeten till den mer kompakta, nuvarande porositeten i de äldsta bassängerna."
Teamet studerade de 77 kratrarna i kronologisk ordning, baserat på deras tidigare bestämda åldrar. För varje krater modellerade teamet mängden med vilken den underliggande porositeten förändrades jämfört med den initiala porositeten som representeras av den yngsta kratern. De antog att en större förändring i porositet var associerad med ett större antal effekter och använde denna korrelation för att uppskatta antalet effekter som skulle ha genererat varje kraters nuvarande porositet.
Dessa simuleringar visade en tydlig trend:I början av det tunga månbombardementet, för 4,3 miljarder år sedan, var skorpan mycket porös - cirka 20 procent (som jämförelse är porositeten hos pimpsten cirka 60 till 80 procent). Närmare 3,8 miljarder år sedan blev skorpan mindre porös och förblir på sin nuvarande porositet på cirka 10 procent.
Denna förskjutning i porositet är sannolikt resultatet av att mindre stötorgan verkar för att kompaktera en bruten skorpa. Att döma av denna porositetsförskjutning uppskattar forskarna att månen upplevde ungefär dubbelt så många små nedslag som kan ses på dess yta idag.
"Detta sätter en övre gräns för påverkan i solsystemet", säger Söderblom. "Vi har också nu en ny uppskattning för hur effekterna styr porositeten hos markkroppar." + Utforska vidare
