Myndun tunglsins

Teiknuð mynd af ímynduðum árekstri tveggja hnatta, svipuðum þeim atburði þegar tungl jarðar myndaðist. Smelltu á myndina til að sjá hana stærri. Mynd: NASA/JPL-Caltech

Lengi hafa menn velt því fyrir sér hvernig tunglið varð til. Án efa hefur hvert menningarsamfélag fyrri tíma átt sína goðsögn um tilurð tunglsins en það var ekki fyrr en Newton lagði fram kenningu sína um þyngdaraflið árið 1687 að vísindamenn gátu skoðað samband tungls og jarðar af alvöru.

Newton var fyrstur til að leggja fram vísindalega kenningu um tilurð sjávarfalla: Tunglið togar mest í sjóinn næst því og togar minnst í sjóinn fjærst því á hinni hlið jarðarinnar. Á seinustu áratugum tuttugustu aldar urðu gífurlegar framfarir í þekkingu mannsins á tunglinu. Enn er verið að uppgötva fjölmargt nýtt í sambandi við tunglið og gömlum kenningum breytt ört eða jafnvel kollvarpað.

1. Fyrri hugmyndir um tilurð tunglsins

Út frá rannsóknum á tímasetningu og staðsetningu sólmyrkva gerðu vísindamenn sér grein fyrir því í byrjun 18. aldar að tunglið væri smám saman að fjarlægjast jörðina og jörðin að hægja á snúningi sínum. Út frá þessu þótti ljóst að bæði hefði tunglið ekki alltaf verið í sömu fjarlægð frá jörðu og sólarhringur jarðar hefði ekki alltaf verið jafnlangur. Frá sautjándu öld og fram á þá nítjándu hófu vísindamenn að leggja grunn að kenningum um samband tungls og jarðar fyrr í jarðsögunni og ennfremur um tilurð tunglsins í upphafi.

Á átjándu og nítjándu öld kom fram grunnur að þremur helstu kenningunum um uppruna tunglsins; klofnunarkenningunni (fission theory), samrunakenningunni (coaccretion theory) og föngunarkenningunni (caption theory).

1.2. Klofnunarkenningin

Klofnunarkenningin (fission theory) var fyrsta kenningin sem hlaut almennan hljómgrunn meðal vísindamanna og almennings. Enski stjörnufræðingurinn George Darwin, sonur Charles Darwin, setti hana fyrstur fram árið 1878 í tímaritinu Nature og seinna árið 1898 í bók sinni um sjávarföll. Þar sagði hann að í upphafi hafi jörðin snúist afar hratt og vegna flóðkrafta sólar hefði hluti jarðarinnar brotnað af og myndað tunglið. Seinna bættist við kenninguna að örið sem varð til þegar tunglið brotnaði frá jörðinni hefði myndað Kyrrahafið. Fyrir vikið varð klofnunarkenningin vinsæl jafnt meðal jarðfræðinga sem almennings. Alla tíð voru þó uppi efasemdarraddir meðal stjörnufræðinga og þegar leið á 20. öldina tapaði kenningin fylgi sínu. Aðallega þótti sýnt að flóðkraftar sólar hefðu ekki getað ollið klofningnum en auk þess var erfitt að útskýra hverfiþunga tungls og jarðar með klofningskenningunni.

1.3. Samrunakenningin

Samrunakenningin (coaccretion theory) gerir ráð fyrir því að tunglið hefði myndast á sama tíma og jörðin þegar frumgasskífa sólkerfisins þéttist í sólina og plánetur umhverfis hana. Með þeim fyrstu til að setja fram þá hugmynd var franski stjörnufræðingurinn Édouard Roche árið 1873 en aðalfylgismaður kenningarinnar á 20. öld var hollensk-bandaríski stjörnufræðingurinn Gerard Kuiper. Aðalvandmálið bak við samrunakenninguna var að tunglið er mun eðlisléttara en jörðin sem benti til lítils járnkjarna í tunglinu. Samkvæmt kenningunni hefðu hins vegar jörðin og tunglið átt að vera mjög svipuð í byggingu vegna hins sameiginlega uppruna.

1.4. Föngunarkenningin

Þriðja kenningin var hin svokallaða föngunarkenning (capture theory) sem gerði ráð fyrir því að tunglið hefði myndast annars staðar í sólkerfinu en jörðin hefði fangað það í þyngdarafli sínu. Kenningin kom fyrst fram í nútímamynd árið 1955. Föngunarkenningin naut á tímabili töluverðra vinsælda meðal stjörnufræðinga en aðallega vegna þess að hinar kenningarnar voru enn verri. Kenningin gat útskýrt aðra byggingu tunglsins en jarðarinnar en nánast vonlaust reyndist að sýna fram á hvernig jörðin gæti fangað svo stóran hnött eins og tunglið án þess að það klessti á jörðina. Upp úr miðri tuttugustu öldinni hafði því engin ein kenning hlotið almenna viðurkenningu umfram hinar og helstu deilur snerust um hver kenninganna væri skást.

2. Ný hugmynd á sjónarsviðið

Bandaríkjamenn og Rússar öfluðu mikilvægra gagna í tunglferðum sínum, sem áttu eftir að skýra myndun tunglsins. Annars vegar komu geimfarar með töluvert af tunglgrjóti til jarðar þar sem það var skoðað en einnig settu Bandaríkjamenn upp skjálftamæla til að mæla tunglskjálfta. Þegar tunglgrjótið var greint kom þrennt mikilvægt í ljós: Lítið var um létt og rokgjörn frumefni, ekkert vatn var í grjótinu og hlutfall ¹⁶O og ¹⁸O samsæta súrefnis var það sama og í jarðargrjóti. Hlutfall súrefnissamsæta gefur til kynna fjarlægð frá sólu þegar efnið myndast en hlutfallið er t.d. annað í loftsteinum frá Mars og úr ytra sólkerfinu. Þegar gögn tóku að berast frá tunglskjálftamælunum leiddu þau svo í ljós að járnkjarni tunglsins var lítill sem enginn. Afar erfitt reyndist að koma þessum gögnum heim og saman við fyrri kenningarnar þrjár um uppruna tunglsins.

Árið 1975 settu hins vegar reikistjörnufræðingarnir William K. Hartmann og Donald R. Davis fram nýja kenningu um myndun tunglsins, hina svo kölluðu árekstrarkenningu. Þeir höfðu unnið að reiknilíkani um myndun reikistjarna úr frumgasskífu sólkerfis og komust að því að í upphafi myndast fjölmargir hnettir á sama belti í sólkerfinu. Einn hnattanna verður stærstur og myndar frumreikistjörnu en næststærsti hnötturinn getur orðið allt að helmingurinn af stærð þess stærsta. Smátt og smátt renna svo minni hnettirnir saman í meginhnöttinn og eftir stendur ein reikistjarna á hverjum sporbaug umhverfis sólu.

Hartmann og Davis bentu á að tunglið hefði getað verið myndað við slíkan árekstur þar sem óvenju stór hnöttur hefði rekist á frumjörðina. Sú kenning var öflugri en allar fyrri kenningar um tilurð tunglsins þar sem gögn úr tunglleiðöngrunum pössuðu við hana. Árekstrarkenningin skýrði af hverju lítið er um létt og rökgjörn frumefni og vatn í tunglgrjóti þar sem hitinn var svo mikill við áreksturinn að þessi efni einfaldlega gufuðu upp út í geim. Hlutfall súrefnissamsæta er svipað í tunglgrjóti þar sem upprunalega bergið myndaðist í sömu fjarlægð frá sólinni og jörðin. Að lokum má skýra lítinn járnkjarna þar sem tunglið myndaðist aðallega úr möttulefni árekstrarhnattarins og jarðarinnar en járnkjarni árekstrarhnattarins samlagaðist járnkjarna jarðarinnar.

Í fyrstu tók vísindaheimurinn lítið eftir kenningu Hartmann og Davis en árið 1984 var haldin ráðstefna um uppruna tunglsins í bænum Kona á Hawaii. Það var ekki fyrr en á þeirri ráðstefnu að árekstrarkenningin hlaut hylli vísindamanna og hefur síðan verið álitin besta skýringin á uppruna tunglsins og sú sem langflestir stjörnufræðingar aðhyllast. Árekstrarplánetan hefur ekki hlotið opinbert nafn en hefur stundum verið nefnd Þeia, eftir títaninum í grískri goðafræði sem var móðir Selenu, tunglgyðjunnar.

3. Árekstrarkenningin

Í bernsku sinni, fyrir um 4,6 milljörðum ára, var sólkerfið mun viðsjárverðari staður en það er núna. Umhverfis nýfædda sólina mynduðust ótalmargir hnettir úr leifum frumgasskífunnar. Þessir hnettir voru óstöðugir á brautum sínum umhverfis sólina og klesstust á og runnu saman í stærri hnetti. Ein útfærsla árekstrarkenningarinnar gerir ráð fyrir því að á svokölluðum Lagrangepunkti á sporbaug jarðarinnar hafi einn slíkur smáhnöttur myndast á sama tíma og frumjörðin.

Í fyrstu var umferðartími hnattarins um sólu stöðugur eða sá sami og umferðartíma jarðarinnar og kom það í veg fyrir að hnötturinn rækist á jörðina. Hann stækkaði þó smátt og smátt og varð að lokum of stór til að haldast stöðugur á sporbaug sínum. Að lokum leiddi það til þess að smáhnötturinn rakst á jörðina í gríðarlegum árekstri. Talið er að það hafi gerst á innan við 50 til 100 milljónum ára eftir myndun jarðarinnar.

Samkvæmt reiknilíkönum hefur árekstrarhnötturinn ekki verið á mikilli ferð, ef til vill innan við 10 km/sek. og hitt jörðina á heppilegu horni sem kom í veg fyrir eyðingu beggja hnattanna. Við áreksturinn þeyttist mikill hluti möttulefnis árekstrarhnattarins út í geim en þyngri frumefni eins og járn urðu eftir og sukku niður í jörðina og samlöguðust kjarna hennar. Möttulefnið sem endaði í geimnum myndaði efnisskífu á mikilli hreyfingu umhverfis jörðina og stuttu eftir áreksturinn rann meirihluti efnisins saman í lítinn hnött, sem var tunglið. Talið er að það hafi gerst á minna en einni öld, jafnvel aðeins á örfáum áratugum. Þessar mestu hamfarir jarðarinnar hafa alla tíð síðan mótað jörðina.

4. Heimildir

1. Brush, S. G. 1988: A history of modern selenogony - Theoretical origins of the moon, from capture to crash 1955-1984. Space Science Reviews 47, 211-273.
2. Hartmann, W. K. & Phillips, R. J. & Taylor, G. J. (ritstj.): Origin of the moon; Proceedings of the Conference, Kona, HI, October 13-16, 1984. Lunar and Planetary Institute, Houston.
   
3. Whitehouse, D. 2001: The Moon – A Biography. Review, London.
   

Hvernig vitna skal í þessa grein

• Snæbjörn Guðmundsson (2011). Myndun tunglsins. Stjörnufræðivefurinn. http://www.stjornuskodun.is/tunglid/myndun (sótt: DAGSETNING).