Η Γενετική της Γης και της Σελήνης
Φανταστείτε ότι δύο πολύ παρόμοιοι γείτονες υποβάλλονται σε γενετικό τεστ. Η εξέταση δείχνει ότι τα γενετικά αποτυπώματα του ζευγαριού είναι σχεδόν πανομοιότυπα. Νιώθουν μια λάμψη σοκ και ενθουσιασμού. Τι σημαίνει αυτό? Θα μπορούσαν να είναι δίδυμα που χάθηκαν εδώ και καιρό, χωρισμένα σε ένα νοσοκομειακό μπέρδεμα;
Η Γη και η Σελήνη μοιράζονται ένα παρόμοιο ζήτημα, ένα που δημιουργεί ένα μεγάλο επιστημονικό παζλ. Σε ισοτοπικό επίπεδο -το «γενετικό» επίπεδο για τους βράχους- η Γη και η Σελήνη είναι ουσιαστικά πανομοιότυπες. Ενώ έχουν διαφορετικές σχετικές ποσότητες πετρωμάτων και σιδήρου, τα πετρώματα της Γης και της Σελήνης μοιράζονται τις ίδιες ισοτοπικές υπογραφές σε πολλά διαφορετικά στοιχεία. Το οξυγόνο είναι το πιο μελετημένο. Αυτή η ισοτοπική ομοιότητα έχει παραπλανήσει τους επιστήμονες εδώ και δεκαετίες. Πρέπει να σημαίνει κάτι για την προέλευση της Σελήνης, αλλά ακριβώς τι ?
Τον περασμένο αιώνα, οι αστρονόμοι έχουν καταλήξει σε διάφορες θεωρίες για το πώς σχηματίστηκε η Σελήνη. Ίσως η Σελήνη ήταν ένας περιπλανώμενος πλανήτης που καταλήφθηκε βαρυτικά από τη Γη (η σύλληψη θεωρία). Ίσως η εκκολαπτόμενη Γη να στριφογύριζε τόσο γρήγορα που έδιωξε τη Σελήνη (η σχάση θεωρία). Ή ίσως η νεαρή Γη χτυπήθηκε από έναν άλλο αναπτυσσόμενο πλανήτη και αυτό δημιούργησε τη Σελήνη (η γίγαντας πρόσκρουση θεωρία). Τα τελευταία χρόνια η τρίτη από αυτές τις ιδέες έχει αναλάβει ως το προτιμώμενο μοντέλο.
Η θεωρία της γιγαντιαίας πρόσκρουσης απηχεί αυτό που γνωρίζουμε για το σχηματισμό ολόκληρου του Ηλιακού Συστήματος, το οποίο συνενώθηκε από έναν δίσκο αερίου και σκόνης γύρω από τον νεαρό Ήλιο. Η Γη και οι άλλοι πλανήτες αναπτύχθηκαν σε μια σειρά από συγκρούσεις, ξεκινώντας από σωματίδια σκόνης και καταλήγοντας σε μαζικές κρούσεις μεταξύ σωμάτων μεγέθους πλανήτη. Η τελευταία γιγάντια πρόσκρουση που περιλαμβάνει την αναπτυσσόμενη Γη μπορεί να γέννησε τη Σελήνη δημιουργώντας έναν δίσκο από βραχώδη συντρίμμια σε τροχιά γύρω από τον πλανήτη. Το γιγάντιο μοντέλο κρούσης έχει γίνει τόσο δημοφιλές που τα δύο σώματα που συμμετέχουν στην πρόσκρουση έχουν ακόμη και ονόματα:η πρωτο-Γη (ο πρόγονος της Γης) και η Θεία (το σώμα πρόσκρουσης, που πήρε το όνομά της από την Ελληνίδα θεά που ήταν η μητέρα της Σελήνης).
Για να κατανοήσουμε καλύτερα αυτά τα δύο σώματα, πρέπει να δούμε τη γενετική τους. Εδώ, οι «γενετικές» πληροφορίες αναφέρονται σε εξαιρετικές γεωχημικές μετρήσεις διαφορετικών ισοτόπων ορισμένων στοιχείων. Το οξυγόνο είναι ιδιαίτερα χρήσιμο επειδή έχει τρία σταθερά ισότοπα:O, O και O. (Τα ισότοπα έχουν όλα τον ίδιο αριθμό πρωτονίων στους πυρήνες τους αλλά διαφορετικό αριθμό νετρονίων.) Ακριβείς μετρήσεις έχουν δείξει ότι η Γη και η Σελήνη μοιράζονται το ίδιο ισότοπο οξυγόνου δακτυλικό αποτύπωμα—δηλαδή, σχεδόν η ίδια σχετική αφθονία των διαφορετικών ισοτόπων. Μια ελάχιστη διαφορά μετρήθηκε για πρώτη φορά το 2014, στο επίπεδο των 12 μερών ανά δισεκατομμύριο . Η διαφορά στα ισότοπα οξυγόνου μεταξύ της Γης και του Άρη είναι περίπου 30 φορές μεγαλύτερη (περίπου 300 μέρη ανά δισεκατομμύριο).
Στη θεωρία των γιγάντων κρούσεων, η πρωτο-Γη και η Θεία γενικά θεωρείται ότι είχαν διαφορετικές υπογραφές ισοτόπων οξυγόνου. Αυτό συμβαίνει επειδή η υπογραφή κάθε πλανήτη καθορίζεται από την τροχιά του. πιθανώς, ο μόνος τρόπος για να έχουμε σχεδόν πανομοιότυπες υπογραφές είναι να σχηματιστούν δύο πλανήτες σχεδόν στην ίδια τροχιά, κάτι που δεν ταιριάζει με το πώς πιστεύουμε ότι μεγαλώνουν οι πλανήτες. Αν λοιπόν η Γη και η Θεία είχαν διαφορετικά δακτυλικά αποτυπώματα, γιατί η Γη και η Σελήνη μοιράζονται το ίδιο;
Υπάρχουν μερικές πιθανές λύσεις σε αυτό το πρόβλημα, αλλά απαιτούν συνθήκες «ακριβώς έτσι», οι οποίες, εξ ορισμού, είναι πολύ απίθανες. Μια πιθανή λύση είναι ότι η Σελήνη σχηματίστηκε από ένα ίσο μείγμα της πρωτο-Γης και της Θείας. Ωστόσο, προσομοιώσεις υπολογιστή δείχνουν ότι για τις περισσότερες κρούσεις, ο δίσκος των συντριμμιών από τον οποίο συνενώθηκε η Σελήνη κυριαρχείται από υλικό από τη Θεία, με 10-40 τοις εκατό συνεισφορά από την πρωτο-Γη. Μια άλλη πιθανή λύση είναι ότι ο δίσκος που σχηματίζει τη Σελήνη εξισορροπήθηκε χημικά με τη Γη μετά την πρόσκρουση. Αυτή η εξισορρόπηση θα έπρεπε πράγματι να συμβεί, αλλά οι τρέχοντες υπολογισμοί υποδηλώνουν ότι χρειάζεται πολύ περισσότερος χρόνος από τον χρόνο που απαιτείται για την κατασκευή της Σελήνης.
Στο τεύχος 9 Απριλίου του Nature , Alessandra Mastrobuono-Battisti, Hagai Perets, και προτείνουμε μια νέα λύση σε αυτό το μακροχρόνιο παζλ. Η υπόθεση είναι απλή:Τι θα γινόταν αν η Θεία και η πρωτο-Γη μοιράζονταν ήδη την ίδια χημική σύνθεση; Αν αυτό ίσχυε, τότε το σενάριο γιγαντιαίας πρόσκρουσης δεν θα μπορούσε αποφύγετε σχηματίζοντας μια Σελήνη με την ίδια σύνθεση με τη Γη.
Για να δοκιμάσουμε αυτήν την ιδέα, χρησιμοποιήσαμε μια σουίτα προσομοιώσεων υπολογιστή του σχηματισμού της Γης και των άλλων βραχωδών πλανητών. Οι προσομοιώσεις ακολούθησαν τις τροχιές ενός δίσκου που περιείχε χιλιάδες βραχώδη σώματα που περιφέρονταν γύρω από τον νεαρό Ήλιο. Μικρά σώματα συγκρούστηκαν και μεγάλωσαν σε περίπου εκατό εκατομμύρια χρόνια και σχημάτισαν πλανήτες παρόμοιους με τη Γη και τους άλλους τρεις επίγειους πλανήτες.
Κάθε προσομοίωση παρήγαγε ένα «ανάλογο» της Γης, έναν πλανήτη στο σωστό μέγεθος και περίπου στην ίδια τροχιά με τη Γη. Ανιχνεύσαμε τη γενεαλογία κάθε προσομοιωμένου πλανήτη επιθεωρώντας τα συστατικά σώματά του, τη «ζώνη τροφοδοσίας» του. Ένας πλανήτης με μια στενή ζώνη τροφοδοσίας που σχηματίζεται αποκλειστικά από υλικό σε πολύ κοντινές τροχιές, ουσιαστικά από έναν στενό δακτύλιο. Αντίθετα, ένας πλανήτης με ευρεία ζώνη τροφοδοσίας αναπτύχθηκε από συγκρούσεις με αντικείμενα που ξεκίνησαν σε πολύ διαφορετικές τροχιές, έναν ευρύ δίσκο.
Το χημικό αποτύπωμα ενός πλανήτη είναι απλώς το άθροισμα των δακτυλικών αποτυπωμάτων όλων των σωμάτων από τα οποία αναπτύχθηκε ο πλανήτης. Με άλλα λόγια, η ζώνη τροφοδοσίας ενός πλανήτη καθορίζει τη χημική του υπογραφή. Επιθεωρήσαμε την ανάπτυξη καθενός από τα προσομοιωμένα γήινα ανάλογα μας. Αυτό που ήταν ιδιαίτερα σημαντικό ήταν η τελευταία γιγάντια πρόσκρουση κάθε πλανήτη - μια σύγκρουση όπως αυτή μεταξύ της πρωτο-Γης και της Θείας. Υπολογίσαμε τις ζώνες τροφοδοσίας για αυτά τα σώματα πριν και μετά τη σύγκρουσή τους. Εκεί έγιναν ενδιαφέροντα τα πράγματα.
Αξιοσημείωτα, διαπιστώσαμε ότι τα ανάλογα της Πρωτο-Γης και της Θείας συχνά μοιράζονταν παρόμοιες ζώνες τροφοδοσίας. Πριν συγκρουστούν, είχαν αναπτυχθεί από παρόμοιες κατανομές δομικών στοιχείων. Αυτό δεν συνέβαινε σε κάθε προσομοίωση, αλλά ήταν ένα ισχυρό φαινόμενο, που συνέβαινε περίπου το ένα τέταρτο του χρόνου. Αυτό σημαίνει ότι το σενάριο που οραματιστήκαμε ήταν πράγματι δυνατό - ότι η Θεία και η πρωτο-Γη μπορεί να είχαν ήδη το ίδιο ισοτοπικό (γενετικό) αποτύπωμα πριν συγκρουστούν. Είναι λογικό ότι η Γη και η Σελήνη θα πρέπει επίσης να μοιράζονται ένα δακτυλικό αποτύπωμα. Οι γείτονες μοιράζονται την ίδια γενετική όχι επειδή είναι δίδυμα που χάθηκαν εδώ και καιρό, αλλά επειδή οι πρόγονοί τους ήταν ένα παρόμοιο μείγμα των ίδιων αρχαίων πληθυσμών.
Στις προσομοιώσεις μας, οι ζώνες τροφοδοσίας των αναλόγων Theia ήταν σχεδόν πάντα πολύ πιο παρόμοιες με αυτές της πρωτο-Γης παρά με άλλους κοντινούς πλανήτες. Αυτό ταιριάζει πολύ στην ιστορία, καθώς ο Άρης έχει πολύ διαφορετικό ισοτοπικό δακτυλικό αποτύπωμα από τη Γη και τη Σελήνη.
Το τελευταίο κομμάτι του παζλ είναι να χρησιμοποιήσουμε τις προσομοιώσεις μας για να υπολογίσουμε τις πραγματικές ισοτοπικές υπογραφές των πλανητών. Για να βεβαιωθούμε ότι η Γη και η Σελήνη θα πρέπει να είναι πράγματι το ίδιο σε επίπεδο μερών ανά δισεκατομμύριο. Αυτό είναι δύσκολο γιατί δεν γνωρίζουμε ποιες ήταν οι συνθήκες εκκίνησης. Ποια ήταν η χημική κλίση του δίσκου που σχηματίζει τον πλανήτη του Ήλιου; απλά δεν ξέρουμε. Κάνοντας απλές υποθέσεις, διαπιστώσαμε ότι ένα σημαντικό κλάσμα προσομοιώσεων (περίπου 10–25 τοις εκατό) παρέχει καλή αντιστοίχιση. Υπάρχει κάποια συζήτηση σχετικά με αυτό το βήμα, επειδή μια διαφορετική μελέτη από τους Nathan Kaib και Nick Cowan βρήκε ένα διαφορετικό αποτέλεσμα:ότι είναι ένα τέντωμα για την πρωτο-Γη και τη Theia να ήταν αρκετά παρόμοια για να αναπαράγουν τη Γη και τη Σελήνη. Οι διαφορές μεταξύ των δύο ομάδων είναι λεπτές αλλά σημαντικές και εργαζόμαστε για να τις λύσουμε.
Ορίστε λοιπόν. Τα παρόμοια ισοτοπικά αποτυπώματα της Γης και της Σελήνης μπορεί να μας λένε ότι η πρωτο-Γη και η Theia είχαν ήδη μια κοινή γενετική καταγωγή. Οι χημικές τους υπογραφές ήταν οι ίδιες πριν από τη γιγαντιαία πρόσκρουση, επειδή αναπτύχθηκαν από το ίδιο αρχικό υλικό. Το γνωρίζουμε αυτό χάρη στην πλανητική γενετική.
Ο Sean Raymond είναι ένας αστρονόμος που μελετά τον σχηματισμό και την εξέλιξη των πλανητικών συστημάτων. Δημοσιεύει επίσης blog στο planetplanet.net.
