Het onstaan van de maan

De oorsprong van de Maan berust nog steeds op gissingen. Volgens klassieke hypothesen zou de Maan van de Aarde zijn losgescheurd, of door de Aarde zijn ingevangen of zouden Maan en Aarde gelijktijdig uit de oernevel zijn ontstaan. De laatste jaren gaat men er echter van uit dat de proto-aarde is getroffen door een protoplaneet ter grootte van de planeet Mars en dat de Maan uit het aardmateriaal of uit de restanten van de protoplaneet is voortgekomen. Aan het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics in Cambridge, Massachussets probeert men deze catastrofe met behulp van computersimulaties te reconstrueren.

Hoewel de Grote Inslag Theorie al sinds 1975 bestaat, werd zij niet eerder dan in de jaren tachtig geaccepteerd. "De omslag kwam in 1984 toen men tijdens een conferentie op Hawaï de oude hypothesen over de oorsprong van de Maan nog eens kritisch tegen het daglicht hield,' zegt Alastair Cameron van het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, dat onopvallend op een heuvel in een woonwijk van de Amerikaanse stad Cambridge is gelegen. Cameron: "Iedereen was het erover eens dat die oude theorieën hadden afgedaan. In feite was men daarvan al overtuigd nadat de Apollo's en Loena's bodemmonsters van de Maan hadden verzameld.'

Rotatiesnelheid

George Darwin (1845-1912), een zoon van Charles Darwin, berekende aan het eind van de negentiende eeuw uit de wisseling van eb en vloed dat de Maan eens zeer dicht bij de Aarde moet hebben gestaan en ook sneller om haar as gedraaid moet hebben. De Maan zal lang geleden op een afstand van ongeveer drie aardstralen gestaan hebben en een aardse dag zou toen nog geen vijf uur hebben geduurd. Omdat de Maan ook in kortere tijd om de aarde liep, moet een maand ook vijf dagen hebben geduurd.

Groeilijnen van fossielen wijzen inderdaad op een afname van de rotatiesnelheid van de Aarde en een toename van de daglengte met 1,86 milliseconde per eeuw. Om die reden heeft men dan ook steeds aangenomen dat de Maan van de Aarde was losgebroken. Darwin zelf dacht dat de getijden van de primitieve Aarde in resonantie kwamen met vrije oscillaties van het hemellichaam, waardoor er reusachtig hoge getijdegolven ontstonden en een deel van de aarde desintegreerde.

Weer andere theorieën noemden als oorzaak de instabiliteit van de oer-Aarde. Toen het ijzer op aarde naar de aardkern werd toegetrokken zou dit een toename van de aswentelingssnelheid hebben teweeggebracht. De aarde zou daarop instabiel zijn geworden en een vormverandering hebben ondergaan van een afgeplatte bol in een peervormige massa. De hals van de peer zou zijn afgebroken en een vrij in de ruimte zwevende massa hebben gevormd, waaruit de huidige Maan is voortgekomen.

Weer anderen dachten dat de Maan ver van de Aarde in het zonnestelsel moet zijn ontstaan en door het zwaartekrachtsveld van de aarde moet zijn "ingevangen'. Tenslotte zouden Aarde en Maan gelijktijdig uit de oernevel kunnen zijn ontstaan.

Getijdekrachten

Darwins theorie werd dertig jaar geleden al terzijde geschoven toen bleek dat het Aarde-Maan stelsel onvoldoende impulsmoment (hoeveelheid rotatie-energie) bezat om de enorme getijdekrachten op te wekken die nodig zijn om een peervormige massa te laten ontstaan.

Alastair Cameron: "Als de Maan zou zijn gevormd buiten de limiet van Roche (binnen deze grenscirkel werken de getijdekrachten nadelig op de vorming van planeten en satellieten; in ons zonnestelsel bevinden zich alle planeten buiten de limiet van Roche, met uitzondering van de ringen van o.a. Saturnus en Jupiter. - red.) en je zou de hoeveelheid rotatie-energie over het huidige Maan Aarde-systeem verdelen, dan zit tachtig procent in de draaiing van de aarde. Maar dat is te weinig om de Maan te laten ontstaan. Daarvoor heb je een vier keer zo groot draai-impulsmoment nodig.'

Dat de Maan door de Aarde zou zijn ingevangen, is ook al niet erg waarschijnlijk, omdat de samenstelling van de Maan niet overeenkomt met die van andere planeten in het zonnestelsel of van meteorieten. In maanmonsters heeft men bijvoorbeeld geen metallisch ijzer gevonden. De zuurstofisotopensamenstelling van de Maan lijkt wel op die van de Aarde, maar niet op die van andere planeten. Verder is nooit echt duidelijk geworden hoe de Aarde de Maan heeft kunnen onderscheppen.

Botsing

Het enige wat het huidige draai-impulsmoment van het Aarde-Maan systeem kan verklaren is een botsing van een protoplaneet met de proto-aarde. Cameron en zijn collega Bill Ward hebben uitgerekend dat onder de gegeven omstandigheden de protoplaneet even groot als Mars moet zijn geweest. In de afgelopen jaren heeft men deze theorie verder uitgewerkt met behulp van 41 computersimulaties op krachtige UNIX-werkstations, elk scenario met verschillende massa's, inslagsnelheden en impulsmomenten van de protoplaneet.

Cameron en zijn team gebruiken voor hun berekeningen driedimensionale deeltjes-hydrodynamica een rekenkundige formule die de massa van de protoplaneet en de proto-aarde verdeelt in kleinere deeltjes en aan gesteente en ijzer verschillende kleuren toekent. Die kleuren veranderen naarmate de energie van de deeltjes toeneemt onder invloed van temperatuur- of drukveranderingen. De eerste simulaties hebben inderdaad aangetoond dat er voldoende draai-impulsmoment aanwezig was voor het ontstaan van de Maan buiten de limiet van Roche.

Brokstukken

Zwaartekrachtkoppels moeten ervoor hebben gezorgd dat de brokstukken van de protoplaneet en de aardmantel tot de huidige Maan zijn samengeklonterd. Cameron: "Theoretisch is het best mogelijk dat de Aarde door een reeks van kleinere satellieten is getroffen, maar dan hadden Maan en Aarde nooit het huidige draai-impulsmoment kunnen bereiken en zouden er ook geen krachtige zwaartekrachtkoppels zijn geweest om de brokstukken in de ruimte te slingeren.'

Bij de botsing moet de protoplaneet geheel of gedeeltelijk uit elkaar zijn geslagen, waarbij grote delen van de aardmantel in de ruimte werden geworpen. Drukveranderingen zouden aan de brokstukken een zodanige versnelling hebben gegeven dat er een dunne schijf werd gevormd. Bij de botsing drong de protoplaneet door de mantel van de aarde heen, bijna tot aan de ijzeren kern.

Bij een hoger draai-impulsmoment van de protoplaneet wordt de situatie echter ingewikkelder. De protoplaneet wordt ook nu weer vernietigd, maar een deel overleeft de klap. Dit restant komt eerst in een elliptische baan terecht, en raakt de aarde daarna opnieuw. Deze tweede botsing is vergelijkbaar met die uit simulaties met lagere draai-impulsmomenten. Er vormt zich een boog van brokstukken waarvan een deel buiten de limiet van Roche terechtkomt. Door accretie (samenklontering van materiedeeltjes) groeien de brokstukken aan tot de huidige Maan. In één van de simulaties werd op deze manier een planeet gevormd met 87 procent van de massa van de huidige maan.

Platte schijf

Volgens Cameron zijn er voor het ontstaan van de Maan dan ook twee scenario's mogelijk: de Maan zou kunnen zijn gevormd uit het materiaal van een grote platte schijf (van los gesteente en magma) of voornamelijk uit losse brokstukken.

In beide gevallen werd de aarde zwaar beschadigd. Bij de klap moet het losgeslagen gruis van zowel Aarde als de protoplaneet zijn verhit tot 16.000 graden Kelvin - driemaal de temperatuur van de oppervlakte van de zon. Een deel van de dampkring van de aarde moet hierdoor zijn ontsnapt. Mogelijk werd de ontsnapping van de dichte aardatmosfeer versneld door de aanwezigheid van de eerder genoemde materieschijf.

Xenon, een van de zwaarste elementen in primitieve atmosfeer, moet zich op een hoogte van 240 kilometer in de aardatmosfeer hebben bevonden; dicht genoeg bij de schijf om door zijn gravitatieveld aangetrokken te worden. "Het feit dat de Aarde een veel dunnere atmosfeer heeft dan Venus en men op Venus nog allerlei edelgassen aantreft die hier op Aarde zeldzaam zijn, is al een sterke aanwijzing dat de Aarde door een projectiel getroffen moet zijn,' zegt Cameron.

In zijn meest recente publikatie (Icarus 92, 204-216) suggereert Cameron dan ook dat wij ons bestaan op Aarde grotendeels aan een kosmische catastrofe te danken hebben, want in de dichte atmosfeer van Venus is immers geen leven mogelijk. Andere deskundigen, onder wie de geoloog Stuart Ross Taylor, menen dat zonder de enorme getijkrachten die de protomaan miljoenen jaren geleden op de Aarde moet hebben uitgeoefend er nooit een sterk magneetveld had kunnen ontstaan en dus zou ook geen natuurlijke bescherming zijn geweest tegen kosmische straling. In dat geval zouden zich dus nooit organische moleculen hebben kunnen vormen.

Zijn grote catastrofes derhalve een voorwaarde voor het ontstaan van leven? Over het algemeen bestaat het vermoeden dat in de slotfase van het vormingsproces van het zonnestelsel dit soort catastrofes eerder regel dan uitzondering waren. De inslagbekkens op de Maan en op Mars en Mercurius zijn daarvan stille getuigen.

Meer chroom

Toch zijn nog lang niet alle raadsels omtrent het ontstaan van de Maan opgelost. Cameron beweert bijvoorbeeld dat de Maan hoofdzakelijk bestaat uit materiaal van de protoplaneet, maar andere wetenschappers denken daar anders over. Als de protoplaneet zo groot zou zijn geweest als door Cameron is aangegeven, dan zou de Maan volgens hen veel meer chroom, vanadium en mangaan moeten bevatten.

Cameron gelooft echter dat deze elementen aan de protomaan zijn ontsnapt toen deze nog een langwerpige schijf was. "Het is verkeerd om te denken dat deze schijf een gesloten systeem was,' zegt Cameron. "Een sterke aanwijzing hiervoor is dat er op Aarde meer silicium wordt aangetroffen dan in de meeste meteorieten. Het kan bijna niet anders of dit extra silicium moet van de protoplaneet afkomstig zijn.'