Kuun synty

By Jarmo Korteniemi, 21 maaliskuu, 2020

Kun Kuu täytti taivaan

Muinainen ja nykyinen Kuu. (Jarmo Korteniemi)

Mitä sanoisit, jos taivaan poikki kiitäisi jättimäinen, Aurinkoa paljon suuremmalta näyttävä ja paikoin punaisena hohtava pallo? 4,5 miljardia vuotta sitten tuo oli meillä aivan tavallinen näky.

Yötaivaalla mollottavaa täysikuuta on vaikea olla huomaamatta. Erityisen valtavalta se näyttää ollessaan matalalla, koska silloin silmä suhteuttaa sen horisontissa näkyviin tuttuihin asioihin. Mutta syntyaikoinaan Kuu näytti kerrassaan jättimäiseltä.

Kun ojennat kätesi suoraksi, täysikuun läpimitta vastaa noin puolta pystyyn nostetun pikkurillin leveyttä. Kuun syntyessä se kuitenkin näkyi koko nyrkin levyisenä.

Kuu syntyi aivan Maan viereen runsaat 4,5 miljardia vuotta sitten. Etäisyyttä sinne oli tuolloin vaivaiset 25 000–30 000 kilometriä, eli vähemmän kuin maapallon oma ympärysmitta.

Jos maanpinnalla olisi tuolloin tepastellut joku satunnainen matkailija, hänen näkemänsä Kuu olisi peittänyt taivaasta yli 200 kertaa nykyistä laajemman alueen. Leveyttä komeudella olisi ollut 15 kertaa nykykuun verran. Kaiken kukkuraksi naapuripallon varjossa oleva puoli olisi hohtanut punaisena. Sen pinta oli kauttaaltaan sulaa magmamerta.

Nykyisen ja muinaisen kuun näennäiset läpimitat. (Jarmo Korteniemi)

Kuu sai alkunsa suuressa törmäyksessä, kun hieman pienempi (tai ehkä useampi pienempi) protoplaneetta törmäsi Maahan. Kiertoradallemme sinkoutui heittelettä, josta osa tiivistyi nopeasti Kuuksi. Mallinnusten perusteella prosessi oli nopea, ja kesti enimmilläänkin vain satakunta vuotta.

Kuu myös liikkui aluksi taivaalla todella vinhaan. Alussa se kiersi Maan kerran 12 tunnissa. Maan vuorokausi taas kesti vaivaiset 5 tuntia.

Sivujuonne: Totuuden nimessä todettakoon, että myös Maan pinta oli Kuun syntytörmäyksen vuoksi vielä sula. Satunnaisella matkailijalla olisi siis luultavasti ollut varsin tuskaiset oltavat tälläkin pallolla. Ja todellisuudessa hän ei ehkä olisi nähnyt yhtään mitään, koska kaasukehämme saattoi hyvinkin olla tuolloin läpinäkymätön.

Mitä sitten tapahtui?

Kuun ensimmäisen sadan miljoonan vuoden aikana ehti tapahtua paljon. Kuun pinta jäähtyi ja kiinteytyi. Vuorovesivoimien ansiosta se myös lukkiutui näyttämään saman puolen Maata kohden.

Vuorovesivoimat myös loitonsivat Kuuta hyvin nopeasti. Alkuvaiheessa vauhtia oli reippaasti yli 20 cm vuodessa. 600 miljoonassa vuodessa se oli siirtynyt jo 140 000 kilometrin päähän Maasta.

Aikojen saatossa etääntymisen vuosivauhti on vaihdellut 0,15 ja 30 sentin välillä. Tällä hetkellä se on noin 3,8 cm per vuosi ja hiipuu hiljalleen. Arvioiden mukaan kestää kuitenkin vielä noin 50 miljardia vuotta ennen kuin etääntyminen pysähtyy—mikäli siis Aurinko ei onnistu hotkaisemaan Maata ja Kuuta sitä ennen.

PS. Joku saattaa kysyä kuinka tuollainen mitätön loittonemisvauhti voidaan edes tietää. Kuuhunhan on tällä hetkellä matkaa yli 384 400 kilometriä, eikä muutaman sentin heiton luulisi tuntuvan missään! Selitys on lasermittaus: Maasta ammutaan laserpulssi, joka heijastuu Kuusta ja saapuu takaisin Maahan. Kun vuotuinen etäisyysvaihtelu vähennetään laskuista, jäljelle jää Kuun etääntyminen. Lähes käsittämättömän tarkka mittaus on mahdollista kolmen Apollo-lennon ja kahden miehittämättömän Lunohod-kulkijan Kuuhun jättämien heijastimien vuoksi.

Kuun vaiheita sekä nousu- ja laskuaikoja voi tutkiskella vaikkapa Tähtitieteellinen yhdistys Ursan tähtikartan avulla.

Teksti on tehty yhteistyössä Tiedekeskus Tietomaan kanssa. Kirjoittaja on planetologi.

Tagit

By Markus Hotakainen, 1 helmikuu, 2016

Kuu syntyikin nokkakolarin seurauksena

Kuun syntytörmäys

Yksi Apollo-lentojen tulos oli, että kaikki Kuun syntyä koskevat teoriat menivät romukoppaan. Kuusta tuotujen kivinäytteiden ja niiden kemiallisen koostumuksen avulla kehiteltiin nykyisin vallitseva teoria, jonka mukaan Kuu syntyi valtaisan kosmisen kolarin tuloksena.

Noin 100 miljoonaa vuotta Maan muotoutumisen jälkeen siihen osui Marsin kokoluokkaa ollut kappale, jolle on annettu nimeksi Theia. Tähän asti on arveltu, että osuma ei ollut napakymppi, vaan pienempi kappale iskeytyi Maahan vähintään 45 asteen kulmassa. 

Nyt tutkijat ovat päätyneet tulokseen, että kappaleet törmäsivät sittenkin suoraan toisiinsa. Nokkakolaria ehdottivat ensimmäiseksi vuonna 2012 Matija Ćuk, Sarah Stewart ja Robin Canup, mutta nyt siitä on saatu uutta näyttöä.

Asiaa selvitettiin tutkimalla samaisia kiviä, joiden koostumus johti alkujaankin törmäysteoriaan. Ratkaiseva tekijä on Maan ja Kuun kivien hyvin samanlainen, liki identtinen kemiallinen kokoonpano. 

Analysoitavana oli seitsemän kuukiveä, jotka tuotiin Maahan Apollo 12, 15 ja 17 -lennoilta, sekä kuusi vulkaanista kiveä, jotka ovat peräisin Maan vaippakerroksesta; viisi Havaijilta ja yksi Arizonasta.

Paul Warren (kuvassa vasemmalla), Edward Young ja Issaku Kohl keskittyivät tutkimuksessaan kivien mineraaleihin sitoutuneeseen happeen. Yli 99,9 prosenttia Maassa esiintyvästä hapesta on isotooppia O-16 eli sen ytimessä on kahdeksan protonia ja kahdeksan neutronia. Mukana on kuitenkin pieni määrä raskaampia isotooppeja O-17 ja O-18, joissa on yksi tai kaksi ylimääräistä neutronia.

 

 

Jokaisella Aurinkokunnan kappaleella on sille ominainen isotooppisuhde. Paitsi Kuulla. Vuonna 2014 saksalaiset tutkijat tulivat siihen tulokseen, että Kuun isotooppisuhde poikkeaa Maan vastaavastta, mutta uuden tutkimuksen mukaan näin ei olekaan. 

"Emme havainneet minkäänlaista eroa Maan ja Kuun isotooppisuhteiden välillä; ne ovat täsmälleen samanlaiset", toteaa tutkimusta johtanut Young.

Hänen mukaansa Maan ja Kuun kivien identtisyys on ratkaiseva tekijä. Jos Maa ja Theia olisivat törmänneet toisiinsa viistossa kulmassa, suurin osa Kuusta olisi muodostunut Theian aineksesta. Silloin Maan ja Kuun happi-isotooppisuhteet olisivat keskenään erilaiset. Nokkakolarin tuloksena hapen kemialliset sormenjäljet ovat samanlaiset.

"Theian aine sekoittui kokonaan sekä Maahan että syntyneeseen Kuuhun, ja jakautui tasaisesti niiden kesken. Se selittää, miksi emme havaitse Theiasta erilaisia jälkiä Kuussa ja Maassa", Young perustelee.

Theiastakin olisi muotoutunut todennäköisesti planeetta, ellei se olisi iskeytynyt Maahan. Young on sitä mieltä, että se oli kooltaan samaa luokkaa kuin Maa, vaikka monien mielestä se oli selvästi pienempi. 

Kysymysmerkiksi jää edelleen Maan veden kohtalo. On mahdollista, että törmäyksen seurauksena Maan silloinen vesi katosi kokonaan ja nykyiset varannot ovat peräisin myöhemmin Maahan iskeytyneistä asteroideista, kenties myös komeetoista. Uusi tutkimus ei tuo tähän selvyyttä.

Tutkimuksesta kerrottiin UCLA:n (University of California, Los Angeles) uutissivuilla ja se on julkaistu Science-tiedelehdessä (maksullinen).

Kuvat: William K. Hartmann [taiteilijan näkemys]; Christelle Snow/UCLA

 

Tagit

By Markus Hotakainen, 24 elokuu, 2015

Kuun laavasuihkujen voimanlähteenä oli hiili

Oranssia "hiekkaa" Kuussa

Vielä 1960-luvulla arveltiin, että Kuun kraatterit tai ainakin iso osa niistä olisi syntynyt tulivuoritoiminnan seurauksena. Vaikka kuulennot osoittivat käsityksen vääräksi, Kuussa on kuitenkin ollut vulkanismia: onhan Maata kohti kääntyneellä puoliskolla laajoja tulvatasankojakin, joita muinoin pidettiin merinä.

Kuun pinnalta on löytynyt muutamasta paikasta pieniä lasipalloja, jotka kertovat yhdestä tulivuoritoiminnan tyypistä. Palloset ovat syntyneet pyroklastisessa purkauksessa eli sulan kiviaineen suihkutessa ylös kovalla paineella pinnan alta. Vastaavia laavasuihkuja esiintyy Maassakin, esimerkiksi Havaijilla, joten niiden synty tunnetaan melko hyvin.

Maan uumenissa liikkuvan magman seassa on useita kaasuja ja/tai helposti kaasuuntuvia aineita. Ne laajenevat sulan kiven kohotessa kohti pintaa, ja lisäävät samalla magman painetta. Kun magma kaasuineen pääsee viimein pinnalle saakka, tapahtuu räjähdysmäinen purkaus. Pienimmilläänkin kyse on näyttävästä "tulisesta suihkulähteestä". Maasta purskuavat kivipisarat jähmettyvät nopeasti löydetyn kaltaisiksi pieniksi pallosiksi.

Ilmiötä voi jäljitellä ravistamalla virvoitusjuomapulloa ja avaamalla sen sitten – tätä ei kuitenkaan kannata kokeilla kotioloissa tai ainakaan sisätiloissa. 

Kuun laavasuihkujen kohdalla ongelmana on ollut, etteivät tutkijat ole tienneet, mikä kaasu on saanut aikaan sikäläiset purkaukset. "Kaasu on kadonnut aikoja sitten, joten sen selvittäminen ei ole ollut helppoa", toteaa Alberto Saal, joka tutkimusryhmineen on nyt löytänyt arvoitukseen mahdollisen ratkaisun. 

Kuun laavasuihkuissa purkautuneessa laavassa on ollut huomattavan paljon hiiltä. Kun laava on kohonnut syvyyksistä kohti pintaa, hiili on reagoinut hapen kanssa ja muodostunut suuren määrän hiilimonoksidia. Ja se on saanut aikaan voimakkaan purkauksen, kun laava on päässyt pinnalle saakka. 

Pitkään oltiin siinä käsityksessä, että Kuussa ei ole vedyn ja hiilen kaltaisia helposti haihtuvia aineita. Vasta vajaa vuosikymmen sitten niistä tehtiin luotettavia havaintoja. Vuonna 2008 Saalin ryhmä löysi vulkaanisista lasipalloista vettä, sitten myös rikkiä, klooria ja fluoria. 

Mikään näistä aineista ei kuitenkaan sopinut laavasuihkujen "voimanlähteeksi". Jos purkauksia olisi aiheuttanut esimerkiksi vesi, siitä olisi pitänyt jäädä jälkiä Kuusta tuotuihin näytteisiin. Sellaisia ei kuitenkaan ole havaittu.

 

 

Uudessa tutkimuksessa Saal tarkasteli ryhmineen näytteitä, joissa oliviinikiteiden joukossa olisi pieniä magmahitusia. Magmassa ollut kaasu on jäänyt nalkkiin kiderakenteeseen ennen kuin se on ehtinyt haihtua pois.

Tuloksiin pääseminen edellytti mittaustarkkuuden huomattavaa parantamista. Ioniluotaustekniikalla pystyttiin mittaamaan kahta kertaluokkaa pienempiä pitoisuuksia kuin aiemmin. Sillä saatiin näkyviin jopa kymmenesmiljoonasosan pitoisuudet.

Mittausten mukaan tutkituissa näytteissä oli 44–64 miljoonasosaa hiiltä. Kun hiilen esiintyminen oli saatu varmistettua, tutkijat kehittivät teoreettisen mallin siitä, miten magmassa oleva kaasu käyttäytyy eri syvyyksillä, ja varmistivat laskelmansa laboratoriokokein. 

Tulosten mukaan hiili kaasuuntui muita aineita aiemmin ja syvemmällä, jolloin se saattoi reagoida hapen kanssa. (Happea laavakivistä on löydetty jo kauan sitten.) Muut aineet, kuten esimerkiksi vety, kaasuuntuivat lähempänä pintaa eivätkä olisi voineet toimia samalla tavalla laavasuihkuja aiheuttavana kaasuna.

Tutkimus osoittaa myös, että osa Kuun sisusten haihtuvista aineista on samaa alkuperää kuin Maassa. Oliviinikiteissä olevissa magmahitusissa on hiiltä saman verran kuin Maan valtamerten keskiselänteissä esiintyvässä basaltissa.

Jos päätelmät pitävät paikkansa, tuloksella on merkitystä Kuun syntyä koskevien käsitysten kannalta. Kuun arvellaan saaneen alkunsa, kun Maahan osui sen varhaisessa nuoruudessa suunnilleen Marsin kokoinen kappale. Kuu tiivistyi törmäyksessä avaruuteen sinkoutuneesta aineesta.

"Aineisto viittaa siihen, että joko osa Maan haihtuvista aineista selvisi törmäyksestä ja päätyi muodostumassa olleeseen Kuuhun, tai niitä kertyi sekä Maahan että Kuuhun samaan aikaan yhteisestä lähteestä – ehkä alkuaikojen meteoriittipommituksen mukana", Saal arvioi.

Tutkimuksesta kerrottiin Brownin yliopiston uutissivuilla ja se julkaistaan Nature Geoscience -tiedelehdessä (maksullinen).

Tagit

By Markus Hotakainen, 23 syyskuu, 2013

3+1 teoriaa

"Kuulennot olivat pelkkää rahan haaskausta, tieteen ja tekniikan valjastamista suurvaltapolitiikan vetojuhdiksi." Tämäntyyppistä kritiikkiä esitettiin aikoinaan ja sitä kuulee edelleen toisinaan. Avaruustutkimus on kallista, siitä ei ole epäilystäkään, mutta moneen muuhun – ja turhempaan – asiaan käytetään paljon enemmän rahaa.

Silti voi kysyä, oliko yli 40 vuotta sitten tehdyistä kuulennoista tieteellistä hyötyä? Kyllä oli, vaikka tiede pääsikin mukaan Apollo-ohjelmaan ikään kuin jälkijunassa. Päätökset kuulennoista tehtiin poliittisin perustein, mutta kun Kuuhun kerran oltiin menossa, voisihan siellä jotain tutkimustakin tehdä. Ja sitä myös tehtiin, sillä tutkijoilla oli mielessään monta avointa kysymystä, joihin voitaisiin saada vastaus menemällä Kuuhun.

Yksi keskeinen asia, johon kuulentojen toivottiin tuovan selvyys, oli Kuun synty. Ennen Neil Armstrongin "pientä askelta" tutkijoilla oli pohdittavanaan kolme teoriaa. Yhden mukaan Kuun syntyyn tarvittava aines olisi irronnut vinhasti pyörivästä Maasta nykyisen Tyynen valtameren kohdalta. Toisen mukaan Kuu olisi syntynyt muualla Aurinkokunnassa ja joutunut sitten Maan sieppaamaksi. Ja kolmannen mukaan Maa ja Kuu olisivat muotoutuneet samaan aikaan jo alun perin lähekkäin.

Jokaisessa teoriassa oli ongelmansa, joiden vakavuus vaihteli teoriasta toiseen. Ne eivät siten olleet keskenään ihan yhtä vakavasti otettavia, mutta silti toistensa kanssa kilpailevia. Kuulentojen ja niiden myötä saatavien kivinäytteiden toivottiin vihdoin tekevän selväksi, mikä teorioista olisi oikea. Ja tekiväthän ne: ei mikään.

Tutkijat joutuivat palaamaan piirustuspöydän ääreen ja kehittämään aivan uuden teorian. Tuloksena oli törmäysmalli. Sen mukaan Kuu on syntynyt aineesta, jonka Maahan muinoin törmännyt noin Marsin kokoinen kappale heitti avaruuteen. Osa aineesta jäi Maan läheisyyteen ja muodosti ruhjoutunutta planeettaa ympäröivän kiekon, josta sitten kertyi Kuu.

Tänään ja huomenna Royal Societyssa pidetään Kuun syntyä koskeva tieteellinen kokous. Olin juuri kuuntelemassa Robin Canubin, Southwest Research Instituten tutkijan, esitystä erilaisista törmäysmalleista. Hänen mukaansa nuoreen Maahan ei ehkä törmännytkään viistosti Marsin kokoinen protoplaneetta, vaan kaksi samankokoista, massaltaan Maan puolikasta kappaletta saattoi osua toisiinsa kosmisessa nokkakolarissa. Se selittäisi (yksityiskohtiin menemättä) Maan ja Kuun samanlaiset happi-isotooppisuhteet, mikä on yksi "perinteisen" törmäysmallin ongelmista.

Kolmesta vaihtoehtoisesta teoriasta on siis hypätty täysin uuden teorian erilaisiin versioihin. Näinhän tiede etenee, siinä ei ole mitään ihmeellistä. Mutta olisiko Kuun synnyn tutkimus edennyt tällä tavalla, ellei kuulentoja olisi tehty? Ennustaminen on tunnetusti vaikeaa, etenkin tulevaisuuden, vaihtoehtoisesta tulevaisuudesta puhumattakaan, joten emme tiedä vastausta tähän kysymykseen. Tiedämme vain, miten tutkimus eteni kuulentojen seurauksena.

Edellisessä blogitekstissäni parjasin klassista fundeeraamista ainoana maailmankuvan muodostamisen välineenä. Nyt kyseenalaistan häikäilemättä myös pelkän katselun: aivan kaikkea ei saada selville ainoastaan "katselemalla" (lainausmerkit viittaavat siihen, että havaintoja pystytään nykyisin tekemään kaikilla aallonpituusalueilla, jotka valoa lukuunottamatta ovat ihmissilmille näkymättömiä). Toisinaan ratkaisu löytyy vasta menemällä paikan päälle.

Maailmankaikkeus ja itse asiassa pelkkä Aurinkokuntakin on kuitenkin niin valtaisan suuri, ettei "paikan päälle" niin vain mennä. Toistaiseksi ihminen on päässyt vasta Kuuhun saakka, mutta sekin osoittautui tieteen kannalta hyödylliseksi. Ja se oli mahdollista monien turhana ja turhan kalliina pitämän avaruustutkimuksen ansiosta.

[Ursan Avaruustuubi]

By Markus Hotakainen, 12 helmikuu, 2013

Kosminen kolari

Kun Maa noin 4,5 miljardia vuotta sitten syntyi, sillä ei alkuun ollut omaa kiertolaista. Yksinäisyyttä ei kuitenkaan kestänyt pitkään, mutta lähimmän avaruusnaapurimme synty oli vähällä tuhota nuoren Maan.

1960-luvulla käynnistyneen Apollo-kuulento-ohjelman yhtenä tieteellisenä tavoitteena oli selvittää, miten Kuu on syntynyt. Vakavasti otettavia teorioita oli tuolloin kolme.

Yhden teorian mukaan Kuu olisi syntynyt jossain muualla Aurinkokunnassa. Harhaillessaan planeettojen joukossa se olisi joutunut Maan vetovoiman sieppaamaksi ja asettunut sitä kiertävälle radalle.

Toisen teorian mukaan Kuu olisi syntynyt alkujaankin Maan kiertolaiseksi, samaan aikaan ja samalla seudulla kuin kotiplaneettamme.

Kolmannen teorian mukaan nuori Maa olisi pyörinyt niin vinhasti, että keskipakoisvoima viskasi osan siitä avaruuteen. Tästä heitteleestä syntyi sitten Kuu. Muistona muinaisesta mullistuksesta olisi Tyyni valtameri, jonka kohdalta Kuun muodostanut aine olisi irronnut.

Apollo-astronautit toivat Maahan lähes 400 kiloa kiviä, joiden toivottiin antavan tietoa Kuun menneisyydestä. Kävi ilmi, että yksikään teorioista ei ollut oikea – tai väärä. Mitään teoriaa ei pystytty osoittamaan paikkapitäväksi mutta ei myöskään täysin kumoamaan.

1970-luvun puolivälissä William Hartmann ja Donald Davis kehittelivät uuden teorian. Sen mukaan Kuu on syntynyt suuren kosmisen törmäyksen seurauksena. Vastasyntyneessä Aurinkokunnassa risteili erikokoisia kappaleita paljon enemmän kuin nykyisin. Planeetat olivat vasta muotoutumassa ja pienempiä kiertolaisia törmäili niihin kaiken aikaa.

Noin 100 miljoonaa vuotta Aurinkokunnan synnyn jälkeen Maahan osui liki Mars-planeetan kokoinen kappale. Törmäys sulatti ja höyrysti pienemmän kappaleen kokonaan ja Maastakin suuren osan.

Samalla avaruuteen sinkoutui suuri määrä sulaa ja rikkoutunutta kiveä. Osa siitä satoi murskaavana kuurona takaisin murjotun Maan pinnalle, osa katosi kauas avaruuteen, mutta osa jäi Maata kiertävälle radalle muodostaen renkaan, samankaltaisen kuin Saturnuksella on ympärillään.

Nuorta Maata ympäröivä rengas ei ollut pitkäikäinen. Siinä kiertävät kivenkappaleet törmäilivät toisiinsa ja kasautuivat isommiksi murikoiksi, joista sitten muotoutui Kuu. Kasautuminen tapahtui nopeasti, todennäköisesti muutamassa viikossa.

Teorian tuoreimman muunnelman mukaan Maahan törmännyt kappale ei olisikaan tuhoutunut törmäyksessä. Se olisi osunut Maahan hyvin viistossa kulmassa, singonnut Maasta ainetta avaruuteen, mutta jatkanut sitten matkaa vain osittain vaurioituneena. Avaruuteen päätynyt aine olisi sitten tiivistynyt Kuuksi. Uusi versio selittäisi myös Maan ja Kuun kivien samankaltaisen koostumuksen.

Tagit

Kuun synty