Barst
20th July 2009, 15:12
En wat hebben we nu geleerd?
De maan is van een mysterieuze vreemdeling veranderd in een goede bekende, veertig jaar na de eerste bemande maanlanding. Al waren de Apollo-missies dan niet in de eerste plaats bedoeld als wetenschappelijke verkenningstochten, ze hebben ons toch de sleutel in handen gegeven om de oorsprong van de maan te begrijpen.
382 kilogram maanstenen hebben de Apollo-missies opgeleverd. Een deel is onderzocht, een deel weggegeven, het grootste deel zit veilig achter slot in een conserverende stikstofatmosfeer. Op zes plaatsen zijn meetinstrumenten op het maanoppervlak achtergelaten. Twaalf mensen hebben op de maan gelopen - elf straaljagerpiloten en één geoloog.
Een verhouding die goed weergeeft waar het in het Apollo-programma om te doen was: niet om wetenschap. Maar al was Apollo een project met een politiek doel, scoren in de Koude Oorlog, het heeft ook een schat aan wetenschappelijke informatie opgeleverd. Informatie waarmee onderzoekers hebben kunnen uitpuzzelen hoe de aarde aan haar maan is gekomen.
Dat inzicht kwam er niet van de ene dag op de andere. De eerste bemande maanlanding leverde geen instantdoorbraak op. Het heeft jaren van zorgvuldige analyse van de maanstenen gekost, en het geduldig combineren van de Apollo-gegevens met andere waarnemingen van de maan, gemaakt vanop aarde en door onbemande sondes. Dat is de manier waarop wetenschap werkt. Traag maar zeker. John F. Kennedy kon wel beloven binnen het decennium op de maan te landen, maar geen president had kunnen beloven 'binnen tien jaar zullen we het raadsel van de maan opgehelderd hebben'.
Het moment van inzicht kwam in 1984, twaalf jaar nadat de laatste maanwandelaars waren teruggekeerd. Op een conferentie over maangeologie, in Hawaï, vielen de stukjes van de puzzel op hun plaats. Alle beetjes moeizaam vergaarde informatie bleken ineens in elkaar te passen. Tot verbazing van de onderzoekers zelf ontstond er plots zo goed als een consensus over de oorsprong van de maan.
Voordien, en voor Apollo, waren er drie concurrerende theorieën geweest over het ontstaan van de maan, met elk hun eigen fatale gebreken. Mogelijkheid één was dat aarde en maan broederlijk samen ontstaan waren, als een soort dubbelplaneet. Mogelijkheid twee: de maan was elders in het zonnestelsel geboren en later ingevangen door de zwaartekracht van de aarde. Drie: de maan was een losgeslingerd stukje van de aarde.
Theorie 1, aarde en maan als dubbelplaneet, had het moeilijk om de verschillen tussen beide te verklaren. Als aarde en maan naast elkaar zijn gevormd uit eenzelfde stukje van de gas- en stofwolk die het jonge zonnestelsel 4,6 miljard jaar geleden was, dan zouden ze bijna precies dezelfde samenstelling moeten hebben.
Maar de aarde heeft in haar binnenste een reusachtige kern van ijzer en andere zware metalen, de maan niet. Hooguit twee procent van de massa van de maan zit in haar kleine kern, tegen dertig procent bij de aarde. De dubbelplaneettheorie verklaart evenmin de verschillen in de samenstelling van het oppervlaktegesteente die uit analyse van de Apollo-stalen zijn gebleken. De maanstenen bevatten veel minder lichte stoffen zoals water, natrium en kalium dan het gesteente op aarde, en méér elementen als aluminium en calcium. Als genadeklap kan de dubbelplaneettheorie niet uitleggen waarom de aarde relatief snel om haar as draait, eens in de 24 uur, en de maan eens per maand omheen de aarde.
Theorie 2, de ingevangen maan, had het omgekeerde probleem. Als de maan in een ander deel van het zonnestelsel ontstaan was, zou haar samenstelling nog sterker van die van de aarde moeten verschillen dan in werkelijkheid het geval is. Want de Apollo-bodemmonsters brachten ook intrigerende gelijkenissen tussen aarde en maan aan het licht. De verhoudingen waarin de verschillende soorten zuurstofatomen (zogeheten isotopen) op de maan voorkomen, is dezelfde als op aarde, een sterke aanwijzing dat de maan geen ingevangen zwerver van ver weg in het zonnestelsel is.
Theorie 3, de uit de aarde geboren maan, werkte al evenmin. Volgens die theorie draaide de aarde kort na haar ontstaan zeer snel rond, zo snel dat op een bepaald moment een stukje aarde van de evenaar loskwam en in de ruimte weggeslingerd werd. Er is zelfs ooit gesuggereerd dat de Stille Oceaan een overblijfsel van het resulterende gat zou zijn, maar dat was lang voor de ontdekking van de continentverschuiving. Omdat de maan volgens die theorie een stukje aarde zou zijn, valt niet te verklaren waar de verschillen in samenstelling vandaan komen.
Decennialang hebben de aanhangers van de drie scenario's elkaar bekampt. Maar op de Hawaï-conferentie bleek onverwacht dat een vierde hond er met het bot vandoor ging. Een theorie die in 1946 door de geoloog Reginald Daly was gesuggereerd en vervolgens compleet vergeten, tot ze in de jaren zeventig door William Hartmann en Donald Davis weer opgevist werd. Volgens hen is de maan het resultaat van een waarlijk cataclysmische botsing, een natuurramp van ongekende omvang die de prille aarde kort na haar ontstaan bijna vernielde.
Volgens het scenario van Hartmann en Davis, dat nu door de meeste deskundigen aangehangen wordt, kwam de zich vormende aarde zo'n 4,5 tot 4,6 miljard jaar geleden hard in botsing met een andere jonge planeet. De andere planeet was kleiner, wellicht ongeveer van de grootte van Mars.
Door de schok van de botsing werd de aarde grotendeels verpulverd, en de aanstormende planeet helemáál. Er ontwikkelde zich zo'n hitte dat twee derde van het gesteente van de aarde smolt. Als er op dat moment al leven was op aarde, dan ging het in een oogwenk in rook op, en moest het vele eeuwen later, nadat de planeet weer was afgekoeld, weer van nul herbeginnen.
Onderzoekers hebben met supercomputers in detail nagebootst wat er in de minuten en uren na de botsing moet zijn gebeurd. Het verbrijzelde en verdampte materiaal van de kleinere planeet spatte in alle richtingen weg, samen met restanten van de verwoeste buitenste lagen van de aarde. De zwaarste bestanddelen van de kleinere planeet zonken weg in de gesmolten massa, waar ze opgingen in de kern van de aarde. Van het niet zo zware materiaal werd een deel vele duizenden kilometers hoog opgeworpen, waar het in een baan om de zwaar verminkte aarde terechtkwam.
De gapende wonde in de aarde bleef niet lang open. De zwaartekracht deed nog voor er enkele uren voorbij waren de uitstulpingen inzakken en de gevormde duizenden kilometers grote put opvullen met gesmolten gesteente, tot onze planeet weer bolvormig was. De aarde was wat groter dan voorheen, omdat ze een groot deel van de kleinere planeet had opgeslokt.
Maar rond de aarde draaide een wolk van puin. Het meeste daarvan kwam van de kleinere planeet, een deel kwam van de aarde. Het puin begon zich al snel te verzamelen en vormde door zijn zwaartekracht een klein bolvormig hemellichaam. Amper een jaar na de botsing was de maan geboren.
Dat de maan gedeeltelijk bestaat uit materiaal van de aarde en gedeeltelijk uit materiaal van de vreemde planeet, verklaart waarom er zowel treffende gelijkenissen als vreemde verschillen zijn in de gesteentesamenstelling. Het opgeworpen puin is het materiaal dat het bij de hele botsing het ergst te verduren heeft gekregen. Bij de enorme verhitting die het heeft ondergaan, zijn de meeste vluchtige stoffen eruit verdwenen; vandaar dat die op de maan weinig voorkomen. De maan heeft nauwelijks een ijzerkern, omdat de kern van de aanstormende planeet te zwaar was om weggeslingerd te worden en in de plaats in de aarde wegzonk. Als de botsing niet echt frontaal gebeurde, maar een beetje schuins, of zelfs als schampschot, heeft ze de aarde mogelijk aan het tollen gebracht. Misschien is het botsingsscenario dus de verklaring waarom de aarde om haar as draait.
Voor de meeste geologen uit het pre-Apollo-tijdperk zou het botsingsscenario bijzonder vergezocht geklonken hebben. Maar sindsdien hebben astronomen ontdekt dat het ontstaan van het zonnestelsel veel gewelddadiger moet zijn verlopen dan vroeger werd gedacht. Reusachtige botsingen waren eerder de regel dan de uitzondering. Minstens voor Mercurius en Neptunus zijn er aanwijzingen dat ze een soortgelijke reuzenbotsing hebben doorstaan als de aarde. In die context, en met de Apollo-bodemanalyses, is de botsingstheorie de duidelijke favoriet geworden.
Al is het nog te vroeg om de theorie bewezen te noemen, onderzoekers zijn nu toch van mening dat ze in grote lijnen begrijpen hoe de maan ontstaan is, en daar heeft Apollo een grote rol in gespeeld. En als bonus heeft het een verrassend nieuw inzicht opgeleverd in de geschiedenis van onze eigen planeet.
DS, 20-07-2009 (Steven Stroeykens)
De maan is van een mysterieuze vreemdeling veranderd in een goede bekende, veertig jaar na de eerste bemande maanlanding. Al waren de Apollo-missies dan niet in de eerste plaats bedoeld als wetenschappelijke verkenningstochten, ze hebben ons toch de sleutel in handen gegeven om de oorsprong van de maan te begrijpen.
382 kilogram maanstenen hebben de Apollo-missies opgeleverd. Een deel is onderzocht, een deel weggegeven, het grootste deel zit veilig achter slot in een conserverende stikstofatmosfeer. Op zes plaatsen zijn meetinstrumenten op het maanoppervlak achtergelaten. Twaalf mensen hebben op de maan gelopen - elf straaljagerpiloten en één geoloog.
Een verhouding die goed weergeeft waar het in het Apollo-programma om te doen was: niet om wetenschap. Maar al was Apollo een project met een politiek doel, scoren in de Koude Oorlog, het heeft ook een schat aan wetenschappelijke informatie opgeleverd. Informatie waarmee onderzoekers hebben kunnen uitpuzzelen hoe de aarde aan haar maan is gekomen.
Dat inzicht kwam er niet van de ene dag op de andere. De eerste bemande maanlanding leverde geen instantdoorbraak op. Het heeft jaren van zorgvuldige analyse van de maanstenen gekost, en het geduldig combineren van de Apollo-gegevens met andere waarnemingen van de maan, gemaakt vanop aarde en door onbemande sondes. Dat is de manier waarop wetenschap werkt. Traag maar zeker. John F. Kennedy kon wel beloven binnen het decennium op de maan te landen, maar geen president had kunnen beloven 'binnen tien jaar zullen we het raadsel van de maan opgehelderd hebben'.
Het moment van inzicht kwam in 1984, twaalf jaar nadat de laatste maanwandelaars waren teruggekeerd. Op een conferentie over maangeologie, in Hawaï, vielen de stukjes van de puzzel op hun plaats. Alle beetjes moeizaam vergaarde informatie bleken ineens in elkaar te passen. Tot verbazing van de onderzoekers zelf ontstond er plots zo goed als een consensus over de oorsprong van de maan.
Voordien, en voor Apollo, waren er drie concurrerende theorieën geweest over het ontstaan van de maan, met elk hun eigen fatale gebreken. Mogelijkheid één was dat aarde en maan broederlijk samen ontstaan waren, als een soort dubbelplaneet. Mogelijkheid twee: de maan was elders in het zonnestelsel geboren en later ingevangen door de zwaartekracht van de aarde. Drie: de maan was een losgeslingerd stukje van de aarde.
Theorie 1, aarde en maan als dubbelplaneet, had het moeilijk om de verschillen tussen beide te verklaren. Als aarde en maan naast elkaar zijn gevormd uit eenzelfde stukje van de gas- en stofwolk die het jonge zonnestelsel 4,6 miljard jaar geleden was, dan zouden ze bijna precies dezelfde samenstelling moeten hebben.
Maar de aarde heeft in haar binnenste een reusachtige kern van ijzer en andere zware metalen, de maan niet. Hooguit twee procent van de massa van de maan zit in haar kleine kern, tegen dertig procent bij de aarde. De dubbelplaneettheorie verklaart evenmin de verschillen in de samenstelling van het oppervlaktegesteente die uit analyse van de Apollo-stalen zijn gebleken. De maanstenen bevatten veel minder lichte stoffen zoals water, natrium en kalium dan het gesteente op aarde, en méér elementen als aluminium en calcium. Als genadeklap kan de dubbelplaneettheorie niet uitleggen waarom de aarde relatief snel om haar as draait, eens in de 24 uur, en de maan eens per maand omheen de aarde.
Theorie 2, de ingevangen maan, had het omgekeerde probleem. Als de maan in een ander deel van het zonnestelsel ontstaan was, zou haar samenstelling nog sterker van die van de aarde moeten verschillen dan in werkelijkheid het geval is. Want de Apollo-bodemmonsters brachten ook intrigerende gelijkenissen tussen aarde en maan aan het licht. De verhoudingen waarin de verschillende soorten zuurstofatomen (zogeheten isotopen) op de maan voorkomen, is dezelfde als op aarde, een sterke aanwijzing dat de maan geen ingevangen zwerver van ver weg in het zonnestelsel is.
Theorie 3, de uit de aarde geboren maan, werkte al evenmin. Volgens die theorie draaide de aarde kort na haar ontstaan zeer snel rond, zo snel dat op een bepaald moment een stukje aarde van de evenaar loskwam en in de ruimte weggeslingerd werd. Er is zelfs ooit gesuggereerd dat de Stille Oceaan een overblijfsel van het resulterende gat zou zijn, maar dat was lang voor de ontdekking van de continentverschuiving. Omdat de maan volgens die theorie een stukje aarde zou zijn, valt niet te verklaren waar de verschillen in samenstelling vandaan komen.
Decennialang hebben de aanhangers van de drie scenario's elkaar bekampt. Maar op de Hawaï-conferentie bleek onverwacht dat een vierde hond er met het bot vandoor ging. Een theorie die in 1946 door de geoloog Reginald Daly was gesuggereerd en vervolgens compleet vergeten, tot ze in de jaren zeventig door William Hartmann en Donald Davis weer opgevist werd. Volgens hen is de maan het resultaat van een waarlijk cataclysmische botsing, een natuurramp van ongekende omvang die de prille aarde kort na haar ontstaan bijna vernielde.
Volgens het scenario van Hartmann en Davis, dat nu door de meeste deskundigen aangehangen wordt, kwam de zich vormende aarde zo'n 4,5 tot 4,6 miljard jaar geleden hard in botsing met een andere jonge planeet. De andere planeet was kleiner, wellicht ongeveer van de grootte van Mars.
Door de schok van de botsing werd de aarde grotendeels verpulverd, en de aanstormende planeet helemáál. Er ontwikkelde zich zo'n hitte dat twee derde van het gesteente van de aarde smolt. Als er op dat moment al leven was op aarde, dan ging het in een oogwenk in rook op, en moest het vele eeuwen later, nadat de planeet weer was afgekoeld, weer van nul herbeginnen.
Onderzoekers hebben met supercomputers in detail nagebootst wat er in de minuten en uren na de botsing moet zijn gebeurd. Het verbrijzelde en verdampte materiaal van de kleinere planeet spatte in alle richtingen weg, samen met restanten van de verwoeste buitenste lagen van de aarde. De zwaarste bestanddelen van de kleinere planeet zonken weg in de gesmolten massa, waar ze opgingen in de kern van de aarde. Van het niet zo zware materiaal werd een deel vele duizenden kilometers hoog opgeworpen, waar het in een baan om de zwaar verminkte aarde terechtkwam.
De gapende wonde in de aarde bleef niet lang open. De zwaartekracht deed nog voor er enkele uren voorbij waren de uitstulpingen inzakken en de gevormde duizenden kilometers grote put opvullen met gesmolten gesteente, tot onze planeet weer bolvormig was. De aarde was wat groter dan voorheen, omdat ze een groot deel van de kleinere planeet had opgeslokt.
Maar rond de aarde draaide een wolk van puin. Het meeste daarvan kwam van de kleinere planeet, een deel kwam van de aarde. Het puin begon zich al snel te verzamelen en vormde door zijn zwaartekracht een klein bolvormig hemellichaam. Amper een jaar na de botsing was de maan geboren.
Dat de maan gedeeltelijk bestaat uit materiaal van de aarde en gedeeltelijk uit materiaal van de vreemde planeet, verklaart waarom er zowel treffende gelijkenissen als vreemde verschillen zijn in de gesteentesamenstelling. Het opgeworpen puin is het materiaal dat het bij de hele botsing het ergst te verduren heeft gekregen. Bij de enorme verhitting die het heeft ondergaan, zijn de meeste vluchtige stoffen eruit verdwenen; vandaar dat die op de maan weinig voorkomen. De maan heeft nauwelijks een ijzerkern, omdat de kern van de aanstormende planeet te zwaar was om weggeslingerd te worden en in de plaats in de aarde wegzonk. Als de botsing niet echt frontaal gebeurde, maar een beetje schuins, of zelfs als schampschot, heeft ze de aarde mogelijk aan het tollen gebracht. Misschien is het botsingsscenario dus de verklaring waarom de aarde om haar as draait.
Voor de meeste geologen uit het pre-Apollo-tijdperk zou het botsingsscenario bijzonder vergezocht geklonken hebben. Maar sindsdien hebben astronomen ontdekt dat het ontstaan van het zonnestelsel veel gewelddadiger moet zijn verlopen dan vroeger werd gedacht. Reusachtige botsingen waren eerder de regel dan de uitzondering. Minstens voor Mercurius en Neptunus zijn er aanwijzingen dat ze een soortgelijke reuzenbotsing hebben doorstaan als de aarde. In die context, en met de Apollo-bodemanalyses, is de botsingstheorie de duidelijke favoriet geworden.
Al is het nog te vroeg om de theorie bewezen te noemen, onderzoekers zijn nu toch van mening dat ze in grote lijnen begrijpen hoe de maan ontstaan is, en daar heeft Apollo een grote rol in gespeeld. En als bonus heeft het een verrassend nieuw inzicht opgeleverd in de geschiedenis van onze eigen planeet.
DS, 20-07-2009 (Steven Stroeykens)