Γιατί ο ήλιος και το φεγγάρι έχουν το ίδιο μέγεθος στον ουρανό;

Πηγή: New Scientist, 30 Ιανουαρίου 2009

Είναι ένα από τα πιο ένδοξα κομμάτια του θεάτρου της φύσης. Αν βρισκόσαστε πάντα στο ίδιο μέρος της Γης θα μπορέσετε - ιδιαίτερα εάν είστε τυχεροί ή η ζωή σας έχει πολύ μεγάλη διάρκεια - να δείτε ίσως και δύο φορές μια ηλιακή έκλειψη. Όμως μια ολική ηλιακή έκλειψη αξίζει την αναμονή. Το ταίριασμα των δύο δίσκων, του Ήλιου και της Σελήνης, είναι τόσο τέλεια που χάντρες από το ηλιακό φως μπορούν να φτάσουν έως εμάς, περνώντας μέσω των απόκρημνων κοιλάδων της σεληνιακής επιφάνειας, δημιουργώντας ένα φαινόμενο γνωστό ως 'διαμαντένιο δακτυλίδι'.

Ο ήλιος έχει περίπου 400 φορές το πλάτος του φεγγαριού, αλλά είναι και 400 φορές πιο μακριά μας. Μήπως λοιπόν τα δύο σώματα που φαίνεται να έχουν το ίδιο μέγεθος στον ουρανό, είναι κάτι περισσότερο από μια σύμπτωση;

Το "διαμαντένιο δακτυλίδι" το βλέπουμε κατά το τέλος μιας συνολικής ηλιακής έκλειψης, καθώς η Σελήνη μόλις αρχίζει να αποκαλύπτει την επιφάνεια της φωτόσφαιρας του Ήλιου στο τέλος της ολικής έκλειψης. Αυτή η έκλειψη έχει φωτογραφηθεί στη Βολιβία στις 3 Νοεμβρίου 1994.

Όλα αυτά γίνονται χάρη σε μια εντυπωσιακή σύμπτωση, όπως είδαμε πιο πάνω. Συνεπώς το ίδιο φαινόμενο μέγεθος στον ουρανό είναι μια μοναδική κατάσταση μεταξύ των σωμάτων του ηλιακού μας συστήματος, των οκτώ πλανητών και των 166 γνωστών φεγγαριών. Η Γη πάλι είναι ο μόνος πλανήτης που φιλοξενεί ζωή. Πρόκειται για καθαρή σύμπτωση;

Σχεδόν σίγουρα, λένε οι περισσότεροι αστρονόμοι. Αλλά ίσως δεν είναι τόσο πολύ σύμπτωση, όπως δείχνουν οι γυμνοί αριθμοί. Το φεγγάρι μας είναι διαφορετικό. Τα πολλά φεγγάρια των εξωτερικών πλανητών - του Δία, του Κρόνου, του Ουρανού και του Ποσειδώνα - θεωρούνται ότι προέρχονται από μία από τις δύο δυνατές μεθόδους: από την συσσώρευση υλικού σε ένα δίσκο από το βαρυτικό πεδίο του πλανήτη, σαν μια μικρότερη βερσιόν του σχηματισμού των πλανητών του ηλιακού μας συστήματος, ή προήλθαν από την βαρυτική σύλληψη αργότερα μικρών σωμάτων, που περνούσαν κοντά από τους πλανήτες. Με τον δεύτερο τρόπο έγινε η σύλληψη των δύο μικρών δορυφόρων του Άρη, του Δείμου και του Φόβου, τα μόνα φεγγάρια στο εσωτερικό ηλιακό σύστημα εκτός της Σελήνης.

Αλλά το δικό μας φεγγάρι είναι υπερβολικά μεγάλο σε σχέση με το μέγεθος της ίδιας της Γης για να έχει σχηματιστεί εύκολα με μία από αυτές τις διαδικασίες. Πλανητικοί επιστήμονες πιστεύουν ότι μπορεί να υπάρχει γι αυτό το μέγεθος μόνο μία εξήγηση: στα πρώτα 100 εκατομμύρια χρόνια του ηλιακού συστήματος, όταν υπήρχαν ακόμα αδέσμευτα μεγάλα συντρίμμια που στριφογύριζαν στο εσωτερικό ηλιακό σύστημα, ένα αντικείμενο στο μέγεθος του Άρη κτύπησε πάνω στη Γη. Η προσβολή αυτή άλλαξε ριζικά τον πλανήτη μας, στέλνοντας μια τεράστια ποσότητα από γήινα συντρίμμια στο διάστημα, που τελικά συγκολλήθηκαν σε ένα πολύ μεγάλο φεγγάρι.

Και εδώ είναι το καλύτερο κομμάτι. Ένα τέτοιο μεγάλο φεγγάρι είναι μια μεγάλη ευλογία για τη ζωή πάνω στη Γη. Όπως η Γη στρέφεται γύρω από τον δικό της άξονα, έχει μια φυσική τάση να λικνίζεται, λόγω της μεταβαλλόμενης έλξης από άλλα σώματα, όπως ο ήλιος. Η 'αθέατη' για μας βαρύτητα της Σελήνης απαλά μετριάζει αυτό το λίκνισμα, εμποδίζοντας της περιστροφικές αστάθειες που θα είχαν προκαλέσει δραματικές αλλαγές στις κλιματικές ζώνες της Γης με τον χρόνο. Τέτοιες αστάθειες θα καθιστούσαν πολύ πιο δύσκολη την εμφάνιση της ζωής στον πλανήτη μας.

Η θέση της Γης στην "κατοικήσιμη ζώνη" γύρω από τον ήλιο, όπου το υγρό νερό είναι άφθονο είναι αναμφίβολα ο πιο σημαντικός παράγοντα για τη γονιμότητα της. Όμως, η παρουσία ενός μεγάλου φεγγαριού - αρκετά μεγάλο για να προκαλεί ολικές εκλείψεις - μπορεί επίσης να έχει μια καθοριστική σημασία. Αν είναι έτσι τα πράγματα αυτό θα έχει σημαντικές συνέπειες για την αναζήτηση ζωής σε άλλους εξωπλανήτες.

Από τότε που την δημιούργησε η σύγκρουση, η Σελήνη κινείται σταθερά μακριά από εμάς, αυτή τη στιγμή περίπου 3,8 εκατοστά ετησίως. Οι δεινόσαυροι δεν έβλεπαν εκλείψεις όπως εμείς: το φεγγάρι τότε ήταν πολύ κοντά μας πριν 200 εκατομμύρια χρόνια, αρκετά κοντά ώστε να μπλοκάρει όλες τις ακτίνες του Ήλιου. Ομοίως, σε διακόσια εκατομμύρια χρόνια από τώρα κανένας κάτοικος της Γης δεν θα βλέπει ολικές εκλείψεις, καθώς το φεγγάρι θα φαίνεται πολύ μικρό.

Η τύχη μας φαίνεται να είναι το αποτέλεσμα δύο συμπτώσεων: μία του σχηματισμού ενός τόσο μεγάλου φεγγαριού, και η άλλη της εξέλιξης της ευφυούς ζωής για να το βλέπουμε. Εάν λοιπόν είστε τόσο τυχεροί που θα δείτε μια ολική έκλειψη στη ζωή σας, να το εκλάβετε σαν ένα τυχερό ενδεχόμενο: ότι το μεγάλο φεγγάρι θα μπορούσε να είναι η αιτία που είσαστε εδώ πάνω.

Δύο επιστήμονες, ο William K. Hartmann και ο Donald R. Davis, ήταν οι πρώτοι που πρότειναν την σύγχρονη υπόθεση της προέλευσης του φεγγαριού, σε μια μελέτη που δημοσιεύθηκε το 1975.

Σε αυτήν την εργασία υποδεικνύεται ότι ένα αντικείμενο, με το μέγεθος του Άρη, συγκρούστηκε με τη νεαρή τότε Γη, 4.5 δισεκατομμύρια χρόνια πριν. Τα συντρίμμια από την σύγκρουση ρίχτηκαν τότε στο διάστημα, όπου συσσωρεύτηκαν σε μια στέρεα μάζα για να φτιάξουν το φεγγάρι και έκτοτε αυτή βρίσκεται μέσα στο Γήινο βαρυτικό πεδίο.  Αυτή η θεωρία υποστηρίζεται από την παρόμοια σύνθεση των βράχων της Γης και της Σελήνης.

Η θεωρία αυτή μέχρι το 1984 είχε ατονήσει, όταν τότε οργανώθηκε μια διεθνής συνεδρίαση στην Kona της Χαβάης, για την προέλευση του φεγγαριού. Σε εκείνη την συνεδρίαση, η υπόθεση της γιγαντιαίας σύγκρουσης προέκυψε ως η καλύτερη που υπάρχει. Ο Michael Drake, διευθυντής του πλανητικού τμήματος επιστήμης του Πανεπιστημίου της Αριζόνα, περιέγραψε εκείνη την συνεδρίαση ίσως την επιτυχέστερη στην ιστορία της πλανητικής επιστήμης.

Γιατί όμως η υπόθεση της σύγκρουσης είναι σωστή;

• Η Γη έχει έναν μεγάλο πυρήνα σιδήρου, αλλά το φεγγάρι δεν έχει. Αυτό συμβαίνει επειδή ο σίδηρος της Γης είχε κατακαθήσει ήδη στον πυρήνα όταν συνέβη η γιγαντιαία σύγκρουση. Επομένως, τα συντρίμμια που ρίχτηκαν από τη Γη και το τεράστιο αντικείμενο προέρχονταν από τους σκληρούς μανδύες τους, που είναι φτωχοί σε περιεκτικότητα σιδήρου. Ο πυρήνας από σίδηρο του αντικειμένου, που συγκρούστηκε έλειωσε κατά τη σύγκρουση και συγχωνεύτηκε  με τον πυρήνα από σίδηρο της Γης, σύμφωνα με τα μοντέλα των υπολογιστών. 

• Η Γη έχει μια μεγάλη πυκνότητα 5.5 gr/cm³, αλλά το φεγγάρι έχει μια πυκνότητα μόνο gr/cm³. Ο λόγος είναι ότι λείπει ο σίδηρος από τον πυρήνα του φεγγαριού. 

• Το φεγγάρι έχει ακριβώς την ίδια σύνθεση ισοτόπων του οξυγόνου με τη Γη, ενώ οι βράχοι του Άρη και οι μετεωρίτες από άλλα μέρη του ηλιακού συστήματος έχουν διαφορετικές συνθέσεις ισοτόπων οξυγόνου. Αυτό δείχνει ότι το φεγγάρι σχηματίσθηκε από υλικό, που διαμορφώθηκε στη γήινη γειτονιά. 

• Εάν κάποια θεωρία για τη σεληνιακή προέλευση μιλάει για μια εξελικτική διαδικασία, δεν μπορεί να εξηγήσει γιατί γιατί οι άλλοι πλανήτες δεν έχουν παρόμοια φεγγάρια. (Μόνο ο Πλούτωνας έχει ένα φεγγάρι που έχει σημαντικό μέγεθος σε σχέση με τον πλανήτη του.) Η υπόθεση της γιγαντιαίας σύγκρουσης έχει το πλεονέκτημα ενός καταστροφικού γεγονότος με μικρή πιθανότητας, κάτι που συνέβη μόνο σε έναν ή δύο πλανήτες από τους εννέα.

Από πού προήλθε αυτή η θεωρία;

Δεξιά: Εικόνα της Γης μιάμιση ώρα μετά τη Γιγαντιαία Σύγκρουση, με τη βοήθεια μοντέλων στον υπολογιστή.

Οι Hartmann και Davis ήταν εξοικειωμένοι με μια εργασία που έγινε στην πρώην Σοβιετική Ένωση στη δεκαετία του '60, πάνω στη συνάθροιση πλανητών από αμέτρητα σώματα, σαν αστεροειδεί, που λέγονται planetesimals. Η περισσότερη από αυτή την πρωτότυπη εργασία έγινε από ένα Ρώσο αστροφυσικό, τον V. S. Safronov.

Παίρνοντας στις γενικές ιδέες του Safronov, οι Hartmann και Davis έκαναν υπολογισμούς του ρυθμού αύξησης του 2ου μεγαλύτερου, του 3ου μεγαλύτερου, κ.λπ., σωμάτων στη γειτονιά της Γης, καθώς η ίδια η Γη αυξανόταν. Ακριβώς όπως η αστεροειδής ζώνη έχει σήμερα το μεγαλύτερο αστεροειδή (Δήμητρα) με μια διάμετρο 1000 km, και διάφορα μικρότερα αστρονομικά σώματα με ένα εύρος διαμέτρων 300-500 km, έτσι και η περιοχή της γήινης τροχιάς θα είχε διάφορα σώματα μέχρι, περίπου, το μισό μέγεθος της ανεπτυγμένης Γης. Η ιδέα ήταν ότι στην περίπτωση της Γης (αλλά όχι των άλλων πλανητών) η σύγκρουση συνέβη αρκετά αργά, και σε μια τέτοια κατεύθυνση σχετικά με τη Γήινη περιστροφή, που αρκετά άφθονο υλικό μέσο ρίχτηκε προς τα έξω, για να σχηματίσει ένα φεγγάρι.

 Μερικές άλλες πιο αρχικές ιδέες για τη δημιουργία της Σελήνης

1. Μια αρχική θεωρία ήταν ότι το φεγγάρι είναι ένας αδελφός-κόσμος με τη Γη, που μπήκε σε τροχιά γύρω της καθώς  διαμορφώθηκε η Γη. Αυτή η θεωρία απέτυχε επειδή δεν μπόρεσε να εξηγήσει γιατί το φεγγάρι στερείται σιδήρου.

2. Μια δεύτερη αρχικά ιδέα ήταν ότι το φεγγάρι σχηματίσθηκε κάπου αλλού στο ηλιακό μας σύστημα, όπου υπήρχε λίγος σίδηρος, και έπειτα συλλήφθηκε σε τροχιά γύρω από τη Γη. Αυτή η θεωρία απέτυχε όταν οι έρευνες εμφάνισαν ότι οι σεληνιακοί βράχοι έχουν την ίδια σύνθεση ισοτόπων με τη Γη.

3. Μια τρίτη αρχικά ιδέα ήταν ότι η νεαρή Γη περιστρεφόταν τόσο γρήγορα που ένα κομμάτι απομακρύνθηκε από τη Γη. Αυτή η ιδέα έφτιαχνε ένα φεγγάρι παρόμοιο με το γήινο μανδύα, αλλά απέτυχε όταν η ανάλυση της συνολικής στροφορμής και της ενέργειας έδειξε ότι το παρόν σύστημα Γης-φεγγαριού  δεν θα μπορούσε να σχηματιστεί κατ' αυτό τον τρόπο.