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Formazione della Luna

serie di teorie scientifiche
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Voce principale: Luna.

Sono state proposte diverse ipotesi per spiegare la formazione della Luna che, in base alla datazione isotopica dei campioni di roccia lunare portati a Terra dagli astronauti, risale a 4,527 ± 0,010 miliardi di anni fa, cioè circa 50 milioni di anni dopo la formazione del sistema solare.[1]

Illustrazione del Grande Impatto, visto dal polo sud

Ipotesi principali

Teoria della fissione

Storicamente sono state avanzate diverse ipotesi sulla formazione della Luna. Le prime teorie suggerirono che la Luna si sarebbe originata dalla Terra, staccandosi per fissione dalla sua crosta per effetto della forza centrifuga e creando il bacino di un oceano (si presume l'Oceano Pacifico).[2]
Questa teoria, nota come teoria della fissione, richiederebbe però un valore iniziale troppo elevato per la rotazione terrestre;[3] e non è compatibile con l'età relativamente giovane della crosta oceanica.

Teoria della cattura

Un'altra teoria, detta della cattura, ipotizza invece che la Luna si sia formata in un'altra zona del sistema solare e che sia stata in seguito catturata dall'attrazione gravitazionale terrestre,[4] che però richiederebbe un'enorme estensione dell'atmosfera terrestre per dissipare l'energia cinetica del satellite in transito;[3]

Teoria dell'accrescimento

L'ipotesi dell'accrescimento presuppone che la Terra e la Luna si formarono assieme nello stesso periodo a partire dal disco di accrescimento primordiale. In questa teoria, la Luna si formò dai materiali che circondavano la proto-Terra, analogamente a come si formarono i pianeti attorno al Sole. Questa ipotesi però non spiega in modo soddisfacente la scarsità di ferro metallico sulla Luna.[3]

Nessuna di queste teorie, comunque, riesce a spiegare l'elevato momento angolare del sistema Terra-Luna.[5]

Teoria dell'impatto gigante

Attualmente la teoria dell'impatto gigante è quella maggiormente accettata dalla comunità scientifica. Fu proposta nel 1975 da William K. Hartmann e Donald R. Davis i quali ipotizzarono l'impatto di un corpo delle dimensioni di Marte (che è chiamato Theia o Orpheus) con la Terra. Da quest'impatto si sarebbe generato abbastanza materiale, nell'orbita circumterrestre, da permettere la formazione della Luna. Anche l'astronomo canadese Alastair G. W. Cameron era un convinto sostenitore di questa tesi. Si pensa, inoltre, che i pianeti si siano formati attraverso un'accessione di corpi più piccoli in oggetti maggiori e, al giorno d'oggi, è riconosciuto che impatti come questo potrebbero essere avvenuti anche per alcuni altri pianeti. Simulazioni al computer dell'impatto riescono a predire sia il valore del momento angolare del sistema Terra-Luna, sia la piccola dimensione del nucleo lunare.[6][7]

L'ipotetico corpo Theia si sarebbe formato in un punto di Lagrange relativo alla Terra, ossia in una posizione gravitazionalmente stabile lungo la stessa orbita del nostro pianeta. Qui Theia si sarebbe accresciuto progressivamente inglobando i planetesimi e i detriti che occupavano in gran numero le regioni interne del sistema solare poco dopo la sua formazione. Quando Theia crebbe fino a raggiungere la dimensione di Marte, la sua massa divenne troppo elevata per restare stabilmente nel punto di Lagrange. In accordo con questa teoria, 34 milioni di anni dopo la formazione della Terra (circa 4533 milioni di anni fa) questo corpo colpì la Terra con un angolo obliquo, distruggendosi e proiettando nello spazio sia i suoi frammenti sia una porzione significativa del mantello terrestre.

Secondo alcuni calcoli, il due per cento della massa di Theia formò un anello di detriti, mentre circa metà della sua massa si unì per formare la Luna, processo che potrebbe essersi completato nell'arco di un secolo. È anche possibile che una parte del nucleo di Theia, più pesante, sia affondata nella Terra stessa fondendosi con il nucleo originario del nostro pianeta.

Si ritiene che un simile impatto avrebbe completamente sterilizzato la superficie terrestre, provocando l'evaporazione degli eventuali mari primordiali e la distruzione di ogni tipo di molecola complessa. Se mai sulla Terra fossero già all'opera processi di formazione di molecole organiche, l'impatto di Theia dovrebbe averli bruscamente interrotti.

È stato inoltre suggerito che in conseguenza dell'impatto si siano formati altri oggetti di dimensioni significative (ma comunque inferiori a quelle della Luna) che avrebbero continuato ad orbitare attorno alla Terra, magari occupando uno dei punti di Lagrange del sistema Terra-Luna. Nell'arco di un centinaio di milioni di anni al più, le azioni gravitazionali degli altri pianeti e del Sole ne avrebbero comunque destabilizzato le orbite, causandone o la fuga del sistema o delle collisioni con il pianeta o con la Luna.[8] Uno studio pubblicato nel 2011 suggerisce che una collisione tra la Luna e uno di questi corpi minori (dalle dimensioni pari ad un trentesimo di quelle lunari), potrebbe aver causato le notevoli differenze in caratteristiche fisiche esistenti tra le due facce della Luna.[9] Le simulazioni condotte suggeriscono che se l'impatto tra i due satelliti fosse avvenuto con velocità sufficientemente bassa, non avrebbe condotto alla formazione di un cratere, ma il materiale del corpo minore si sarebbe "spalmato" sulla Luna, aggiungendo alla sua superficie uno spesso strato di crosta degli altipiani (che oggi vediamo occupare la faccia nascosta della Luna, la cui crosta è spessa circa 50 km più di quelle della faccia visibile).[10]

Indizi geologici

 
Animazione della formazione di Theia nel punto di Lagrange L5 e successiva collisione. L'animazione procede in passi di un anno (precedenti all'impatto), con la Terra quindi in apparenza ferma. La visuale è dal polo sud.

Gli indizi che avvalorano questa teoria derivano dalle rocce raccolte durante gli atterraggi delle missioni Apollo, che mostrarono composizioni di isotopi di ossigeno quasi uguali a quelle terrestri. Inoltre la presenza di campioni di rocce di tipo KREEP (ovvero contenenti K = potassio, REE = Terre rare ((EN) Rare Earth Elements), P = fosforo) indicano che in un periodo anteriore una grande parte della Luna fosse in uno stato fluido e la teoria dell'impatto gigante spiega facilmente l'origine dell'energia richiesta per formare un tale oceano di lava. Esistono diverse prove che la Luna possiede un nucleo ferroso, anche se piccolo. In particolare, la densità media, il momento di inerzia e l'induzione magnetica suggeriscono che deve essere circa un quarto del raggio lunare. Per confronto, gli altri corpi di tipo terrestre hanno un nucleo pari a metà del raggio. La Luna si sarebbe quindi formata principalmente da materiale proveniente dal mantello terrestre e dall'oggetto che ha impattato, mentre il nucleo di quest'ultimo si sarebbe unito alla terra, spiegando in questo modo il valore del momento angolare.[6].

Gli interrogativi ancora aperti che riguardano questa ipotesi sono:

  • Alcuni elementi volatili della Luna non si sono esauriti come previsto dalla teoria.[11]
  • La percentuale di ossido di ferro (FeO) della Luna implica che il materiale proto-lunare proverrebbe da una piccola frazione del mantello terrestre;
  • Se il materiale proto-lunare proviene dal corpo che ha impattato, la Luna dovrebbe essere ricca di elementi siderofili, ma ne sono state rilevate quantità minime.[12]

Controprove

Uno studio recente (maggio 2011) condotto dalla NASA[13] porta elementi che tendono a smentire questa ipotesi. Lo studio, eseguito su campioni vulcanici lunari solidificatisi 3,7 miliardi di anni fa e raccolti dalla missione Apollo 17 del 1972, ha permesso di misurare nel magma lunare una concentrazione d'acqua 100 volte superiori a quelle precedentemente stimate. Le rocce vulcaniche tendono a includere in esse, all'interno di microstrutture cristalline, alcuni elementi volatili, tra cui l'acqua, e con analisi molto sofisticate è possibile ricavare la quantità d'acqua presente nel suolo lunare. Secondo la teoria dell'impatto l'acqua dovrebbe essersi dissolta quasi completamente durante l'impatto, mentre dai dati qui ricavati la quantità d'acqua stimata è simile a quella presente nella crosta terrestre.

Note

  1. ^ T. Kleine, Palme, H.; Mezger, K.; Halliday, A.N., Hf–W Chronometry of Lunar Metals and the Age and Early Differentiation of the Moon, in Science, vol. 310, n. 5754, 2005, pp. 1671–1674, Bibcode:2005Sci...310.1671K, DOI:10.1126/science.1118842, PMID 16308422.
  2. ^ A. B. Binder, On the origin of the moon by rotational fission, in The Moon, vol. 11, n. 2, 1974, pp. 53-76.
  3. ^ a b c Rick Stroud, The Book of the Moon, Walken and Company, 2009, pp. 24–27, ISBN 0-8027-1734-9.
  4. ^ H. E. Mitler, Formation of an iron-poor moon by partial capture, or: Yet another exotic theory of lunar origin, in Icarus, vol. 24, 1975, pp. 256-268.
  5. ^ D. J. Stevenson, Origin of the moon - The collision hypothesis, in Annual review of earth and planetary sciences, vol. 15, 1987, pp. 271-315.
  6. ^ a b R. Canup and E. Asphaug, Origin of the Moon in a giant impact near the end of the Earth's formation, in Nature, vol. 412, 2001, pp. 708-712.
  7. ^ (EN) Heinrich D. Holland, Karl K. Turekian, The Formation of the Monn, in Readings from the Treatise on Geochemistry, Academic Press, 2010, pp. 43-47, ISBN 9780123813916. URL consultato il 6 febbraio 2012.
  8. ^ (EN) Richard Lovett, Early Earth may have had two moons, in Nature, 3 agosto 2011, DOI:10.1038/news.2011.456. URL consultato il 5 agosto 2010.
  9. ^ (EN) M. Jutzi, Asphaug, E., Forming the lunar farside highlands by accretion of a companion moon (PDF), in Nature, n. 476, 2011, pp. 69–72, DOI:10.1038/nature10289.
  10. ^ Deborah Ameri, La Luna? Non era sola. C'era una gemella intorno alla Terra, su ilmattino.it. URL consultato il 5 agosto 2011.
  11. ^ Tests of the Giant Impact Hypothesis, J. H. Jones, Lunar and Planetary Science, Origin of the Earth and Moon Conference, 1998 [1]
  12. ^ E. M. Galimov and A. M. Krivtsov, Origin of the Earth-Moon System, in J. Earth Syst. Sci., vol. 114, n. 6, December 2005, pp. 593-600. [2]
  13. ^ (EN) NASA, NASA-Funded Scientists Make Watershed Lunar Discovery, su nasa.gov, NASA, 25 maggio 2011. URL consultato il 9 agosto 2011.

Bibliografia

General references

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