Un Nuovo Modello per l'Origine della Luna
L'origine della Luna è uno di quei grandi misteri della geologia planetaria per cui ogni passo in avanti ha sempre portato anche nuovi enigmi e domande. Attualmente, l'ipotesi più probabile sembra quella di un gigantesco impatto con la Terra giovane. Recentemente però quest'ipotesi è stata messa in dubbio quando nuove misurazioni hanno mostrato come la Terra e la Luna hanno composizioni isotopiche troppo simili (gli isotopi sono versioni di atomi con una massa leggermente diversa). Per esempio, gli isotopi di ossigeno e titano variano moltissimo attraverso l'intero Sistema Solare, e possono facilmente essere usati come impronte per raggruppare diversi meteoriti e pianeti. I dati mostrano che la Terra e la Luna, in questo senso, sono dei "gemelli isotopici", ma se è vero il modello attualmente usato per spiegare l'origine della Luna attraverso un grande impatto, dovremmo vedere un'impronta isotopica molto differente nei due corpi. Ecco quindi che l'ipotesi dell'impatto gigantesco ha un gigantesco problema: può spiegare benissimo la massa della Luna e anche la rotazione attuale della Terra e della Luna, ma non riesce a spiegare la chimica della Luna.
Ok, però qualcuno potrebbe dire che forse l'impatto ha fatto si che molto materiale terrestre abbia ricoperto quella che era originalmente la superficie della Luna. Ma c'è un problema con questo: Oggi le maree tra la Terra e la Luna rallentano la rotazione terrestre e spingono l'orbita lunare sempre più verso l'esterno. Ma in questo modo il momento angolare del sistema viene conservato. Si può risalire in base a questo indietro nel tempo a quando la Terra era giovanissima e aveva una rotazione di sole 5 ore! E' in quel periodo che, secondo gli attuali modelli, si è venuta a formare la Luna. Il problema è che un impatto gigantesco in questi termini non poteva sollevare in orbita abbastanza materiale terrestre da ricoprire la Luna in modo da ottenere una chimica simile a quella della Terra.
Due ricercatori, Matija Cuk e Sarah Stewart, propongono ora un nuovo modello per riuscire a risolvere questi conflitti. I due mostrano che il momento angolare iniziale della Terra era molto più alto e corrispondeva ad una rotazione terrestre di 2-3 ore. Un gigantesco impatto in quelle condizioni poteva riuscire a espellere abbastanza materiale terrestre in orbita da creare una Luna con un'impronta isotopica identica. Un giorno di sole 2 ore è il punto in cui la Terra inizierebbe a frammentarsi per via delle forze di rotazione. Quando la Terra ruota a queste velocità, è molto facile che del materiale finisca in orbita in seguito ad un impatto.
Immagine: 121,15 KBMappa topografica della Luna. A sinistra la faccia rivolta verso la Terra, a destra invece la faccia che non vediamo mai. Credit:NASA
Per di più, Cuk e Steward hanno scoperto che la Terra primordiale può raggiungere un periodo di rotazione così basso subito dopo il gigantesco impatto per poi raggiungere quello attuale con il tempo, trasferendo il momento angolare al Sole, per via della risonanza di evezione. Questa risonanza è un'interazione gravitazionale tra l'orbita della Terra intorno al Sole e l'orbita della Luna intorno alla Terra. Questa nuova ricerca mostra che per la prima volta che è possibile chela Terra primordiale avesse un periodo di rotazione di solo 2-3 ore subito dopo l'impatto. Adesso, l'ipotesi del gigantesco impatto, con l'aggiunta nuova della risonanza orbitale, può spiegare la chimica della Luna e la rotazione attuale della Terra e della Luna.
A lungo gli scienziati avevano speculato circa la possibilità che la Terra ruotasse molto più velocemente in passato. Nel 1879, George H. Darwin, figlio di Charles Darwin che si è a lungo occupato dello studio delle maree, suggeriva che la Luna potesse essersi formata attraverso una fissione di materiale della Terra. Letteralmente la Terra si sarebbe spezzata, ruotando troppo velocemente. Darwin però non riuscì a trovare un'ipotesi che spiegasse e motivasse una così rapida rotazione terrestre. Moderni studi della formazione planetaria mostrano che la Terra è cresciuta grazie ad una continua serie di giganteschi impatti che hanno potuto facilmente portare la rotazione ad un limite di stabilità intorno a 2ore. L'ultimo gigantesco impatto è quello che ha formato la Terra come gemello della Luna.
Immagine: 95,69 KBVista della luna piena catturata dalla Terra, nell'emisfero nord. Credit: Gregory H. Revera
I calcoli riguardo al gigantesco impatto simulano la collisione e la formazione di un disco intorno alla Terra nell'arco di 24 ore. I metodi usati per questa fase della formazione della Luna non sono in grado di modellare direttamente anche la formazione della Luna da questo disco. Per questo processo serve simulare un periodo di centinaia di anni, in cui lentamente il disco si è raffreddato. Un buon candidato come disco proto-lunare è uno che ha la massa abbastanza alta da formare il nostro satellite ed un momento angolare che possa portare il satellite al raggio di Roche (cioè quel limite, in questo caso grande 3 raggi terrestri), oltre cui una luna non viene fatta a pezzo dalle forze di marea. La luna ha 1.2% la massa della Terra e nei modelli, un disco tipicamente era composto di circa il doppio dell'attuale massa della Luna.
Immagine: 62,15 KBModello che mostra l'impatto che ha creato il sistema Terra-Luna. Credit: Harvard/Smithsonian
In questo modello, Theia, il corpo che ha colpito la Terra creando la Luna, ha metà della massa di Marte e colpisce il nostro pianeta a circa 20 km/s. Theia riesce a penetrare attraverso tutta la crosta ed il mantello terrestre, raggiungendo il nucleo e gettando fuori tutto il materiale che incontra, formando temporaneamente un profondo buco nel pianeta. Theia ed una partedella Terra vaporizzano e si espandono intorno al pianeta. Parte del materiale viene espulso e sfugge rapidamente via dalla Terra.
Il disco finale è abbastanza massiccio da creare la Luna ed è composto principalmente da materiale proveniente dalla Terra. Inoltre, il disco non ha ferro dato che il nucleo di Theia si fonde con quello della Terra. Questo scenario è in accordo con l'osservazione delle attuali masse della Terra e della Luna e specialmente con il fatto che la Luna ha un basso contenuto di Ferro ed una composizione isotopica simile nel mantello. Dopo l'impatto, il giorno Terrestre avrebbe un giorno di circa 2.7 ore.
Ma oltre a questa simulazione, il team ha provato anche a fare una con parametri molto diversi per capire come poteva cambiare l'ipotesi. Per esempio, hanno creato una simulazione in cui la Terra ha una rotazione di 3.1 ore e viene colpito da un oggetto della massa di Marte a circa 9 km/s. Dato che questo impatto è molto più lento ed obliquo se paragonato al precedente, una porzione del proiettile si spezza in due durante il contatto iniziale e si lascia dietro un lungo braccio a spirale insieme a frammenti di varie dimensioni. Alcuni dei frammenti più grandi ricascano sulla Terra e altri rimangono in orbita. Il disco finale è abbastanza massiccio da formare un satellite come la Luna, ma in questo caso, circa il 60% del disco ha origine dal mantello del corpo che ha impattato la Terra, cioè Theia. In altre parole, questo modello non produrrebbe la stessa impronta isotopica della Terra.
Dopo che avviene l'impatto, il sistema Terra-Luna aveva più momento angolare di oggi. Dopo che la Luna si forma dal disco,la sua orbita inizia ad espandersi verso l'esterno per via delle forze di marea. La Luna viene presto catturata nella risonanza di evezione, che fissa il punto più vicino nell'orbita lunare a 90° dal Sole. Mentre la Luna è presa in questa risonanza, tipicamente per diverse decine di migliaia di anni, la Terra sta trasferendo momento angolare alla Luna attraverso le forze di marea. Ma la Luna non può assorbire il momento angolare mentre è presa in questa risonanza. Invece, quello che succede è che la Luna passa il momento angolare al Sole. Come risultato, l'orbita della Terra intorno al Sole si espande leggermente. Dopo che la Luna esce dalla risonanza, la sua orbita continua a migrare verso l'esterno e oggi si trova infatti a 60 raggi terrestri. Mentre si trovava ancora in risonanza, la Luna sarebbe apparsa 20 volte più grande nel cielo Terrestre, rispetto ad oggi.
http://www.fas.harvard.edu/~planets/sstewart/Moon.htmlink2universe