Mūsų kosminis brolis: iš kurgi atsirado Mėnulis, ką apie jį jau žinome ir kokia įdomi ateitis jo laukia? (Video)

Per šimtmečius trukusius tyrimus surinkome labai daug žinių apie Mėnulį ir susidarėme neblogą vaizdą apie jo istoriją. Toli gražu nepilną – net ir dabar jo detalės vis kinta. Bet tos žinios praplečia ir supratimą apie pačią Žemę. Žemiau siūlau susipažinti su keliais pagrindiniais Mėnulio istorijos bei tyrimų aspektais.

Iš kur atsirado Mėnulis?

Kai Morgotas pagrobė Silmarilius ir kartu su Ungolianta sunaikino Valinoro medžius, valai susirinko užtemusiame Valinore ir sprendė, ką daryti toliau. Javana dainavo, o Niena verkė, ir iš dainos bei ašarų sidabrinis medis Telperionas sukrovė paskutinį žiedą, kuris, patikėtas Tilionui, keliauja dangumi kaip Mėnulis… Bent jau taip rašoma „Silmariljone“. Ir šį Tolkino kūrybos elementą paminėjau ne tik todėl, kad pats esu tolkinistas. „Silmariljoną“ Tolkinas pradėjo kurti netrukus po Pirmojo pasaulinio karo ir nebaigė iki pat mirties 1973-aisiais.

Per tą laiką pasikeitė ir mokslo pasaulio požiūris į Žemės bei Mėnulio istoriją, o Tolkinas, domėjęsis astronomija, vėlyvoje „Silmariljono“ versijoje bandė padaryti legendą panašesnę į mokslinį supratimą apie palydovo kilmę. Toje versijoje Mėnulį sukūrė blogio valdovas Morgotas, norėjęs savo pasaulio, atskiro nuo Žemės, bet panašaus į ją. Jis atplėšė Žemės gabalą ir iš jo suformavo mažesnį rutulį, kuriame gyveno skrajodamas aplink Žemę ir siuntė įvairią pragaištį.

Tokia istorija daugeliu pagrindinių akcentų primena dabartinį supratimą apie Mėnulio susiformavimą. Dar 1898 metais Charleso Darwino sūnus George`as iškėlė hipotezę, kad Mėnulis susiformavo iš Žemės. Tiesa, jis rėmėsi skaičiavimais, kad Mėnulis tolsta nuo Žemės, vadinasi praeityje turėjo būti arčiau (apie tai dar žr. žemiau – „Mėnulio ateitis“), ir manė, kad vien Žemės sukimosi galėjo užtekti, kad planeta jaunystėje „suplyštų“. Vėliau paaiškėjo, kad Žemė niekada taip greitai nesisuko, bet hipotezė patobulinta ir papildyta dideliu smūgiu.

Pagal dabartinį hipotezės variantą, į jauną Žemę pataikė maždaug Marso dydžio kūnas, vadinamas Tėja. Smūgis išlydė visą Žemės paviršių ir mūsų planeta kurį laiką buvo padengta magmos okeanu. Taip pat dalis Tėjos ir Žemės medžiagos išlėkė į kosmosą, bet nepabėgo nuo Žemės gravitacijos, o ėmė suktis orbitoje. Laikui bėgant – per šimtus metų, taigi kosminiais mastais labai greitai – dalis tos išmestos medžiagos susijungė į mūsų palydovą.

Iškart po smūgio Žemės para turėjo būti labai trumpa. Tėja greičiausiai atsitrenkė į Žemę „šonu“, o ne kaktomuša, ir įsuko planetą kaip vilkelį. Skaitmeniniai modeliai rodo, kad aplink savo ašį tuo metu Žemė apsisukdavo vos per penkias valandas. Bet, laikui bėgant, sukimosi energija „iškeliavo“ į Mėnulį ir dabar turime 24 valandų paros trukmę.

Hipotezė kaip hipotezė, bet kuo ji paremta? Įrodymų, patvirtinančių bent jau bendrus scenarijaus bruožus, yra nemažai. Visų pirma, Mėnulio ir Žemės cheminė sudėtis labai panaši. Kiekviena planeta turi savitą izotopų – elementų atmainų su skirtingu neutronų skaičiumi branduolyje – santykį, tačiau Mėnulyje ir Žemėje jie praktiškai nesiskiria.

Taip pat žinome, kad Mėnulis turi palyginus labai mažą geležinį branduolį ir kad jame yra labai mažai lengvų bei lakių cheminių elementų, tokių kaip vandenilis ar deguonis. Jei Mėnulis būtų formavęsis atskirai nuo Žemės, šias savybes paaiškinti būtų sudėtinga, tačiau smūgio hipotezė jas paaiškina labai paprastai. Mėnulis formavosi daugiausiai iš Žemės (ir šiek tiek Tėjos) mantijos medžiagos, o Žemės ir Tėjos branduoliai smūgio metu tiesiog susiliejo į vieną, bet į kosmosą nepabėgo. Todėl ir geležis, kuri buvo nusėdusi į Žemės branduolį, ten ir liko, o Mėnulis formavosi iš lengvesnių mantijos elementų. Smūgio metu įkaitusi medžiaga išgarino lakiuosius elementus ir jie daug lengviau nei sunkesni pabėgo į kosmosą, tad prie besiformuojančio Mėnulio nebeprisijungė.

Be to, Tėjos smūgis nėra unikalus Saulės sistemoje. Kuo daugiau ją tyrinėjame, tuo daugiau senovinių smūgių pėdsakų randame: to paties Mėnulio didžiausias krateris, Marso šiaurinė žemuma, Veneros ir Urano neįprastas sukimasis, netgi išskydęs Jupiterio branduolys – visi šie reiškiniai paaiškinami dideliais smūgiais. Apie juos plačiau rašiau sausio mėnesį.

Žinoma, ši Mėnulio kilmės hipotezė nėra tobula, ir neatsakytų klausimų vis dar lieka. Pavyzdžiui, tas pats Mėnulio ir Žemės cheminis panašumas kelia nerimą. Jei Tėja pataikė į Žemę šonu, didesnė planetos dalis turėjo išlėkti į kosmosą ir Mėnulio sudėtyje turėtų būti nemažai Tėjos; bet naujausi tyrimai rodo, kad Mėnulis formavosi iš Žemės medžiagos. Jei Tėja pataikė į Žemę kaktomuša, tai Žemė ir Tėja turėjo susimaišyti, o Mėnulis formuotis pagrinde iš Žemės medžiagos.

Abiem atvejais Mėnulio ir Žemės cheminė sudėtis turėtų šiek tiek skirtis. Visai neseniai paaiškėjo, kad greičiausiai taip ir yra: iš gilesnių Mėnulio sluoksnių iškilusiose uolienose yra daugiau sunkių deguonies izotopų, nei Žemėje. Be to, pasikasus kiek giliau į Mėnulio plutą, reikšmingai išauga metalų – geležies ir titano – kiekis; tai irgi gali reikšti, kad Mėnulyje yra daugiau Tėjos, galbūt jos branduolio, nei manyta anksčiau. Yra ir kitokių bandymų paaiškinti Mėnulio ir Žemės panašumą: pavyzdžiui, galbūt Tėja buvo panašaus dydžio į pirmykštę Žemę ir smūgio metu jų plutos bei mantijos medžiaga susimaišė visiškai vienodai.

Tad klausimų apie Mėnulio kilmę vis dar yra. Atsakymų paieškas turėtų gerokai paspartinti žmonių sugrįžimas ten 2024 metais ir galimas nuolatinės tyrimų bazės įrengimas. Be to, žmonių misijos tikslas yra Mėnulio Pietų ašigalis, kur turėtų būti ne tik paviršinės medžiagos, bet ir senovėje iš mantijos iškeltų uolienų, tad bus galima tyrinėti detalesnį palydovo sandaros vaizdą.

Mėnulio jūros

Vandenynai yra tamsesni už sausumą – tai puikiai matosi iš orbitos, bet ir stovint ant Žemės paviršiaus, galima suvokti šį skirtumą. Tad Antikos laikų astronomai, žiūrėdami į Mėnulį ir matydami jame tamsias bei šviesias zonas, pirmąsias pavadino „jūromis“. Pavadinimas prigijo ir išliko iki šių dienų, nors dabar jau gerai žinome, kad tai tiesiog žemumos, dengiamos tamsesnių bazaltinių uolienų.

Iš kitos pusės, kadaise, prieš milijardus metų, tai tikrai buvo jūros, tik jose tyvuliavo ne vanduo, o magma. Žemumas suformavo stiprūs meteoritų smūgiai, išlydę palydovo plutą prieš daugiau nei keturis milijardus metų. Vėliau pluta sustingo, bet liko plonesnė, nei kitur, todėl čia vis prasiverždavo magma iš Mėnulio gelmių, kuri ir suformavo dabartines bazaltines uolienas. Didžioji dalis išsiveržimų vyko prieš 3-3,5 milijardo metų, bet kai kurios uolienos datuojamos mažiau nei pusantro milijardo metų amžiumi.

Mėnulio jūros daugiausiai randamos artimojoje palydovo pusėje. Kai 1958 metais pirmą kartą gautos tolimosios pusės nuotraukos, jos sukėlė nuostabą, nes ten Mėnulio paviršius gerokai kitoks, nei esame įpratę. Artimoji pusė yra gana lygi, o tolimoji – kalnuota ir gūbriuota. Vėlesni matavimai atskleidė, kad tolimosios pusės pluta apskritai yra storesnė. Tai paaiškina ir kitus skirtumus: storesnės plutos nepramušė meteoritai, todėl nesiformavo magmos jūros, o vėliau magma į paviršių veržėsi ten, kur tą padaryti lengviausia – artimojoje pusėje. Be to, artimosios pusės plutoje yra daugiau kalio, fosforo ir retųjų žemių elementų, o neseniai aptikta, kad taip pat daugiau ir radioaktyvių urano bei torio – šie elementai šildo plutą ir galėjo ją daug ilgiau išlaikyti nesustingusią ar bent jau minkštesnę.

Bet kodėl pluta tolimojoje pusėje išvis yra storesnė? Aiškaus atsakymo neturime, tačiau bent viena įdomi hipotezė susijusi su Mėnulio formavimusi. Gali būti, kad iš Tėjos ir Žemės susidūrimo susiformavo ne vienas palydovas, o keli. Vienas iš jų, buvęs toliau nuo Žemės, nei Mėnulis, laikui bėgant nukrito į mūsų palydovo tolimąją pusę ir sukūrė stebimą asimetriją.

O kaipgi su tikromis jūromis, t. y. vandeniu? Apollo 14 misijos metu aptikta šiek tiek vandens molekulių, bet iki 2009 metų Mėnulis laikytas labai, jei ne visiškai, sausu kūnu. Tų metų pabaigoje į Mėnulį rėžėsi zondas LCROSS. Jis pataikė į nuolat šešėlyje skendintį Kabėjaus kraterį, o smūgio metu išmestoje medžiagoje neabejotinai aptikta vandens. Nuo tada bendra mokslininkų nuomonė yra, kad Mėnulio ašigalių krateriuose vandens turėtų būti nemažai.

Prieš porą metų paviršiaus spektro matavimai patvirtino, kad kraterių dugne tikrai yra vandens ledo. Kol kas nežinome, ar jo yra labai daug, bet tai viena iš priežasčių, kodėl žmonės 2024 metais turėtų keliauti būtent Mėnulio ašigalio link – ten įrengus tyrimų bazę, jos poreikiams bus galima naudoti vietinį vandenį, o nereikės jo gabenti iš Žemės.

Mėnulio krateriai

Kaip žinome, kokios amžiaus yra Mėnulio paviršius ar atskiros jo dalys? Iš principo tą nustatyti galima dviem būdais – radiometriniu datavimu ir skaičiuojant kraterius. Radiometrinis datavimas, naudojamas daugybėje sričių – archeologijoje, paleontologijoje, geologijoje, planetologijoje – remiasi prielaida, kad į tam tikrus rezervuarus jų formavimosi metu patenka žinomos elementų izotopų proporcijos, o po susiformavimo radioaktyvūs izotopai skyla, todėl jų mažėja.

Pavyzdžiui, gyvi organizmai, vykdydami biologinius procesus, į savo biomasę inkorporuoja anglį. Anglis turi keletą izotopų, iš kurių vienas – anglis-14 – yra radioaktyvus. Organizmui mirus, nauja anglis į jį nebepatenka, o anksčiau turėta anglis-14 po truputį virsta azotu. Išmatavę anglies-14 ir azoto kiekius organizme, galime nustatyti jo amžių, bent jau jei jis mirė per pastaruosius keliasdešimt tūkstančių metų.

Kiti radioaktyvūs elementai leidžia datuoti senesnes fosilijas ar uolienas. Mėnulio uolienos daugiausiai datuojamos matuojant kalio-40 virtimą argonu. Kalis-40 skyla labai lėtai, pusė jo kiekio argonu virsta per 1,25 milijardo metų, tad naudojant šį izotopą galima datuoti visą Mėnulio amžių.

Visgi tam, kad galėtume radiometriškai datuoti uolienas, reikia jas turėti. Apollo astronautai pargabeno nemažai Mėnulio paviršiaus mėginių, taip pat Žemėje kartais randama meteoritų, nukritusių iš Mėnulio, ir šie objektai duoda labai daug vertingos informacijos. Pavyzdžiui, jie leidžia apskaičiuoti viso palydovo amžių, kuris ne per seniausiai pasirodė esąs kiek didesnis, nei manyta anksčiau – 4,51 milijardo metų. Tiesa, tam jau pasitelktas ne kalio, bet urano skilimo matavimas, bet principas panašus. Kita didžiulė radiometrinio matavimo nauda – jis leidžia sukalibruoti kraterių skaičiavimo metodo rezultatus.

Kraterių skaičiavimui užtenka paviršiaus nuotraukų. Jose matyti įvairaus dydžio krateriai, nusėję Mėnulio – ar bet kurio kito dangaus kūno su kieta pluta ir reta atmosfera – paviršių. Krateriai atsiranda palaipsniui: ką tik sustingusiame paviršiuje jų nėra, o laikui bėgant – daugėja. Mažesni krateriai atsiranda dažniau, didesni – rečiau, bet jei turime du vienodo dydžio paviršiaus plotus ir viename jų kraterių daugiau, nei kitame, galime pagrįstai teigti, kad pirmasis paviršius yra senesnis. Jaunesnis paviršius dažniausiai būna todėl, kad jį kažkada praeityje užliejo lava arba kitu būdu pluta buvo išlydyta, todėl senesni krateriai išnyko.

Mėnulio formavimosi istorija. Animacija kiek pasenusi – dabar manoma, kad „vėlyvojo bombardavimo“ epochos nebuvo, o didieji krateriai susiformavo keliais šimtais milijonų metų anksčiau. Tačiau nuolat vykstantis smulkių meteoritų kritimas ir kraterių gausos augimas – visiškai realistiški. Šaltinis: NASA

Nustatyti absoliutų paviršiaus amžių, naudojant vien kraterių skaičius, nelabai įmanoma. Tačiau turėdami keletą atskaitos taškų, gautų radiometriniais metodais, galime sudaryti kraterių formavimosi spartos kreivę – sąryšį tarp tam tikro dydžio meteoritų smūgių dažnumo ir Saulės sistemos amžiaus. Tada kraterių skaičius jau galima susieti su absoliučiais laiko intervalais, taigi ir su paviršių amžiumi.

Panašus paviršiaus datavimo metodas naudojamas ne tik Mėnuliui, bet ir Merkurijui ir Marsui tyrinėti, ir netgi Jupiterio bei Saturno ledinių palydovų paviršiams analizuoti. Kol neturime galimybės nuskristi taip toli ir patikrinti uolienų amžiaus detaliau, šis metodas yra bene vienintelis būdas išsiaiškinti, kada susiformavo jų paviršiai.

Mėnulio ateitis

Mėnulis sukelia potvynius Žemėje: jo trauka artimąją Žemės pusę traukia stipriau, nei centrą, o centrą – stipriau, nei tolimąją. Todėl vanduo, esantis arčiau Mėnulio, traukiasi jo link ir sudaro bangą, o Žemė, toldama nuo tolimojoje pusėje esančio vandens, sudaro antrą potvynio bangą. Panašiai ir Žemė traukia Mėnulį, todėl jo forma yra kiek pailga, ištempta išilgai ašies, jungiančios planetos ir palydovo masės centrus. Apie potvynius plačiau esu rašęs čia.

Viena potvynių pasekmė Mėnuliui – jis nuolat nuo mūsų tolsta. Žemė aplink savo ašį sukasi greičiau, nei Mėnulis aplink Žemę, todėl potvynio banga nuolatos yra šiek tiek priekyje, nei linija tarp Žemės ir Mėnulio centro. Toks Žemės formos netolygumas sukuria papildomą gravitacinę jėgą, kuri stabdo planetos sukimąsi. Kartu ta pati jėga tempia Mėnulį į priekį, kitaip tariant, greitina jį.

Kinetinė Žemės sukimosi energija paverčiama kinetine Mėnulio orbitos energija. Pagreitėjęs Mėnulis tolsta nuo Žemės ir sulėtėja (kinetinė judėjimo energija sunaudojama įveikti potencinei gravitacinio ryšio energijai). Procesas vyksta nuolatos, taigi praeityje Mėnulis buvo arčiau, o Žemė sukosi greičiau. Dinozaurų laikais paros trukmė buvo 20-22 valandos, dabar – 24 valandos, tolimoje ateityje bus ilgesnė. Per šimtą metų paros trukmė pailgėja kiek daugiau nei dviem tūkstantosiomis sekundės dalimis.

Tiesa, procesas vyks ne be galo. Jei jokia išorinė jėga jo nestabdytų, per kelias dešimtis milijardų metų Žemė sulėtėtų tiek, kad vieną kartą aplink savo ašį apsisuktų per tiek pat laiko, kiek užtruktų ją apskrieti Mėnuliui. Mėnulis pakibtų Žemės danguje ir nebejudėtų – Žemė ir Mėnulis taptų potvyniškai surakinti. Vienos paros-mėnesio trukmė būtų maždaug 47 šiandieninės paros.

Žinoma, kelios dešimtys milijardų metų yra daug ilgiau, nei numatoma Saulės gyvenimo trukmė. Po penkių milijardų metų mūsų žvaigždė išsiplės į raudonąją milžinę ir tikrai sudegins Merkurijų bei Venerą, o galbūt ir Žemę su Mėnuliu. Net jei mūsų planeta visiškai nesudegs, jos paviršius bus sterilizuotas, o Saulės potvyninės jėgos gali laisvai atplėšti nutolusį Mėnulį ir priversti jį suktis nebe aplink Žemę, o aplink Saulę. Tad Mėnulio, kaip ir Žemės, laukia karšta ir nyki ateitis – bet tik po milijardų metų. Iki to laiko dar daug ko nutiks.