För cirka 4,5 miljarder år sedan slog en liten planet in i den unga jorden och slängde smält sten ut i rymden. Långsamt smälte skräpet samman, svalnade och stelnade och bildade vår måne. Detta scenario av hur jordens måne kom till är det som i stort sett är överens om av de flesta forskare. Men detaljerna om hur exakt det hände är "mer av en välj-din-eget-äventyrsroman", enligt forskare vid University of Arizona Lunar and Planetary Laboratory som publicerade en artikel i Nature Geoscience .
Fynden ger viktiga insikter om månens inre utveckling och potentiellt för planeter som jorden eller Mars.
Det mesta som är känt om månens ursprung kommer från analyser av stenprover, insamlade av Apollo-astronauter för mer än 50 år sedan, i kombination med teoretiska modeller. Proverna av basaltiska lavastenar som togs tillbaka från månen visade förvånansvärt höga koncentrationer av titan. Senare satellitobservationer fann att dessa titanrika vulkaniska stenar främst är belägna på månens närområde, men hur och varför de kom dit har förblivit ett mysterium – fram till nu.
Eftersom månen bildades snabbt och varmt, var den troligen täckt av ett globalt magmahav. När den smälta stenen gradvis svalnade och stelnade bildade den månens mantel och den ljusa skorpan vi ser när vi tittar upp på en fullmåne på natten. Men djupare under ytan var den unga månen vilt ur jämvikt. Modeller tyder på att magmahavets sista skräp kristalliserades till täta mineraler inklusive ilmenit, ett mineral som innehåller titan och järn.
"Eftersom dessa tunga mineral är tätare än manteln under, skapar det en gravitationsinstabilitet, och du kan förvänta dig att det här lagret sjunker djupare in i månens inre", säger Weigang Liang, som ledde forskningen som en del av sitt doktorandarbete vid LPL.
På något sätt, under årtusendena som följde, sjönk det täta materialet in i det inre, blandades med manteln, smälte och återvände till ytan som titanrika lavaströmmar som vi ser på ytan idag.
"Vår måne vände sig bokstavligen ut och in", sa medförfattare och LPL-docent Jeff Andrews-Hanna. "Men det har funnits få fysiska bevis för att kasta ljus över det exakta händelseförloppet under denna kritiska fas av månens historia, och det finns en hel del oenighet i detaljerna om vad som gick ner - bokstavligen."
Sänkte detta material när det bildades lite i taget, eller allt på en gång efter att månen hade stelnat helt? sjönk den in i det inre globalt och steg sedan upp på närsidan, eller migrerade den till närsidan och sjönk sedan? sjönk den i en stor klump, eller flera mindre klumpar?
"Utan bevis kan du välja din favoritmodell. Varje modell har djupgående implikationer för den geologiska utvecklingen av vår måne", säger medförfattaren Adrien Broquet från German Aerospace Center i Berlin, som gjorde arbetet under sin tid som postdoktor. forskarassistent vid LPL.
I en tidigare studie, ledd av Nan Zhang vid Peking University i Peking, som också är medförfattare till det senaste papperet, förutspådde modeller att det täta lagret av titanrikt material under jordskorpan först migrerade till månens närmaste sida , möjligen utlöst av ett gigantiskt slag på den bortre sidan, och sedan sjunkit in i det inre i ett nätverk av arkliknande plattor, som forsar in i månens inre nästan som vattenfall. Men när det materialet sjönk lämnade det efter sig en liten rest i ett geometriskt mönster av korsande linjära kroppar av tätt titanrikt material under skorpan.
"När vi såg de modellförutsägelserna var det som att en glödlampa tändes", sa Andrews-Hanna, "eftersom vi ser exakt samma mönster när vi tittar på subtila variationer i månens gravitationsfält, vilket avslöjar ett nätverk av tätt material som lurar nedanför skorpan."
I den nya studien jämförde författarna simuleringar av ett sjunkande ilmenitrikt lager med en uppsättning linjära gravitationsavvikelser som upptäckts av NASA:s GRAIL-uppdrag, vars två rymdskepp kretsade runt månen mellan 2011 och 2012 och mätte små variationer i dess gravitationskraft. Dessa linjära anomalier omger ett stort mörkt område av månens närsida som är täckt av vulkaniska flöden som kallas mare (latin för "hav").
Författarna fann att gravitationssignaturerna som mättes av GRAIL-uppdraget överensstämmer med simuleringar av ilmenitskikt, och att gravitationsfältet kan användas för att kartlägga fördelningen av ilmenitrester som finns kvar efter sjunkningen av större delen av det täta lagret.
"Våra analyser visar att modellerna och data berättar en anmärkningsvärt konsekvent historia," sa Liang. "Ilmenitmaterial migrerade till den närmaste sidan och sjönk in i det inre i arkliknande kaskader och lämnade efter sig ett spår som orsakar anomalier i månens gravitationsfält, sett av GRAL."
Teamets observationer begränsar också tidpunkten för denna händelse:De linjära gravitationsanomalierna avbryts av de största och äldsta nedslagsbassängerna på närsidan och måste därför ha bildats tidigare. Baserat på dessa tvärgående samband föreslår författarna att det ilmenitrika lagret sjönk före 4,22 miljarder år sedan, vilket är i linje med att det bidrar till senare vulkanism som ses på månens yta.
"Att analysera dessa variationer i månens gravitationsfält gjorde det möjligt för oss att kika under månens yta och se vad som finns under," sa Broquet, som arbetade med Liang för att visa att anomalierna i månens gravitationsfält matchar vad som förväntas för zonerna i tätt titanrikt material som förutspåtts av datorsimuleringsmodeller av månens vältning.
Sned måne
Även om upptäckten av månens gravitationsavvikelser ger bevis för att ett tätt lager sjunker i månens inre och möjliggör en mer exakt uppskattning av hur och när denna händelse inträffade, ger det vi ser på månens yta ännu mer intriger till berättelse, enligt forskargruppen.
"Månen är i grunden skev i alla avseenden," sa Andrews-Hanna och förklarade att den närmaste sidan som är vänd mot jorden, och särskilt den mörka regionen som kallas Oceanus Procellarum-regionen, är lägre i höjd, har en tunnare skorpa, är till stor del täckt av lavaflöden och har höga koncentrationer av typiskt sällsynta grundämnen som titan och torium.
Den bortre sidan skiljer sig åt i vart och ett av dessa avseenden. På något sätt tros vältningen av månmanteln vara relaterad till den unika strukturen och historien för den närliggande Procellarum-regionen. Men detaljerna i den välten har varit en fråga för stor debatt bland forskare.
"Vårt arbete kopplar ihop punkterna mellan de geofysiska bevisen för månens inre struktur och datormodeller av dess utveckling," tillade Liang.
"För första gången har vi fysiska bevis som visar oss vad som hände i månens inre under detta kritiska skede i dess utveckling, och det är verkligen spännande," sa Andrews-Hanna. "Det visar sig att månens tidigaste historia är skriven under ytan, och det krävdes bara rätt kombination av modeller och data för att avslöja den historien."
"Rester av tidig månens evolution finns under jordskorpan idag, vilket är fascinerande," sa Broquet. "Framtida uppdrag, som med ett seismiskt nätverk, skulle möjliggöra en bättre undersökning av geometrin hos dessa strukturer."
Liang tillade, "När Artemis-astronauterna så småningom landar på månen för att börja en ny era av mänsklig utforskning, kommer vi att ha en helt annan förståelse av vår granne än vi gjorde när Apollo-astronauterna först satte sin fot på den."
Mer information: Adrien Broquet, Vestiges of a lunar ilmenite layer after mantel wellt avslöjad av gravitationsdata, Nature Geoscience (2024). DOI:10.1038/s41561-024-01408-2. www.nature.com/articles/s41561-024-01408-2
Journalinformation: Naturgeovetenskap
Tillhandahålls av University of Arizona
