Δύο διαστημόπλοια θα ψάξουν για τα κατάλοιπα του πλανήτη Θεία που γέννησε τη Σελήνη

Πηγή: NASA News, 9 Απριλίου 2009

Τα δύο διαστημόπλοια της αποστολής STEREO έχουν εισέλθει σε μια μυστηριώδη περιοχή του διαστήματος, για να αναζητήσουν τα κατάλοιπα ενός αρχαίου πλανήτη που κάποτε στρεφόταν γύρω από τον Ήλιο όχι πολύ μακριά από τη Γη. Αν μπορέσουν να βρουν κάτι, θα μπορούσαν να λύσουν ένα μεγάλο αίνιγμα - την προέλευση της Σελήνης.

"Το όνομα του πλανήτη είναι Θεία", λέει ο Mike Kaiser, επιστήμονας υπεύθυνος για το πρόγραμμα STEREO στο Κέντρο Διαστημικών πτήσεων Goddard. "Είναι ένας υποθετικός κόσμος. Ποτέ δεν τον έχουμε δει στην πράξη, αλλά ορισμένοι ερευνητές πιστεύουν ότι υπήρχε κάπου 4,5 δισεκατομμύρια χρόνια πριν και ότι συγκρούστηκε με τη Γη για να φτιαχτεί το φεγγάρι".

Η υπόθεση της Θείας (ή Θεά που ήταν μία Τιτάνας) είναι ένα πνευματικό τέκνο των θεωρητικών του Πρίνστον Edward Belbruno και Richard Gott. Ξεκινά με την δημοφιλή θεωρία της Μεγάλης Σύγκρουσης για την καταγωγή της Σελήνης. Πολλοί αστρονόμοι θεωρούν ότι στην εποχή που σχηματίστηκε το ηλιακό σύστημα, ένας πρωτοπλανήτης στο μέγεθος του Άρη συγκρούστηκε με τη Γη. Θραύσματα από τη σύγκρουση, ένα μείγμα υλικού από τα δύο σώματα, ξέφυγαν πλευρικά μπαίνοντας σε τροχιά γύρω από τη Γη ενώ συμπιέστηκαν φτιάχνοντας τη Σελήνη. Το σενάριο αυτό εξηγεί πολλές πτυχές της σεληνιακής γεωλογίας συμπεριλαμβανομένου και του μεγέθους του πυρήνα του φεγγαριού, την πυκνότητα του καθώς και την ισοτοπική σύνθεση των βράχων της Σελήνης.

Μια καλλιτεχνική άποψη ενός από τα δύο διαστημόπλοια STEREO

Είναι φυσικά μια καλή θεωρία, αλλά αφήνει αναπάντητη μία δύσκολη ερώτηση: Από πού προήρθε ο τεράστιος πρωτοπλανήτης;

Οι Gott και Belbruno πιστεύουν ότι προέρχεται από ένα σημείο Lagrange ανάμεσα στη Γη και στον Ήλιο.

Αυτά τα σημεία Lagrange είναι περιοχές του διαστήματος 50 εκατομμυρίων χιλιομέτρων η κάθε μία, όπου η έλξη του Ήλιου και της Γης συνδυάζονται για να σχηματίσουν ένα 'βαρυτικό φρέαρ'. Επίσης σε αυτές τις περιοχές η περίοδος που χρειάζεται ένα σώμα για να εκτελέσει μια περιφορά γύρω από τον Ήλιο είναι ίδια με την περίοδο που χρειάζεται για να κάνει την περιφορά του και γύρω από τη Γη. Αν λοιπόν εγκλωβιστούν σώματα εκεί μέσα δεν ξεφεύγουν εύκολα ίσως και να παραμείνουν για πάντα.

Τα επιπλέοντα σκουπίδια του διαστήματος τείνουν να συγκεντρώνονται εκεί μέσα, όπως το νερό μέσα σε ένα πηγάδι. Ο μαθηματικός του 18ου αιώνα Josef Lagrange απέδειξε ότι υπάρχουν πέντε τέτοια βαρυτικά σημεία στο σύστημα Ήλιου-Γης: L1, L2, L3, L4 και L5 που βρίσκονται  στα σημεία του παρακάτω διαγράμματος.

Όταν το ηλιακό σύστημα, ήταν νεαρό, τα σημεία Lagrange ήταν κατοικημένα κυρίως από πρωτοπλανήτες, τα δομικά στοιχεία των πλανητών στο μέγεθος ενός αστεροειδή. Οι Gott και Belbruno δείχνουν ότι σε ένα από τα σημεία Lagrange, ή το L4 ή το L5, κάποιοι πρωτοπλανήτες συνενώθηκαν σε ένα αρχαίο πλανήτη που ονομάστηκε από τους αστρονόμους Θεία (ή Θεά) από την μυθική Τιτάνα που γέννησε τη Σελήνη.

Τα πέντε σημεία Lagrange ανάμεσα στη Γη και τον Ήλιο. Τα δύο διαστημόπλοια STEREO είναι έτοιμα να περάσουν ανάμεσα από τα σημεία L4 και L5. Τα ηλιακά παρατηρητήρια συχνά βρίσκονται στο σημείο L1, ενώ τα διαστημικά παρατηρητήρια στο βαθύ διάστημα προτιμούν το L2

"Τα υπολογιστικά μοντέλα δείχνουν ότι ο πλανήτης Θεία θα μπορούσε να ήταν αρκετά μεγάλος για να δημιουργήσει το φεγγάρι, αν είχε σχηματιστεί στις περιοχές L4 ή L5, όπου η ισορροπία των δυνάμεων επιτρέπει να συσσωρεύεται αρκετό υλικό", αναφέρει ο Kaiser. "Αργότερα, ο πλανήτης Θεία θα ξέφυγε από τις L4 και L5 λόγω της αύξησης της βαρύτητας των άλλων πλανητών, όπως για παράδειγμα της Αφροδίτης και θα πήγε σε τροχιά σύγκρουσης με τη Γη."

Εάν είναι σωστή αυτή η ιδέα, ο ίδιος ο πλανήτης Θεία έχει παρέλθει ανεπιστρεπτί, αλλά ορισμένοι από τους αρχαίους πρωτοπλανήτες που απέτυχαν να ενταχθούν στον πλανήτη Θεία μπορεί ακόμα να πλανώνται στα σημεία L4 ή L5.

"Τα δύο σκάφη STEREO έχουν εισέλθει σε αυτές τις περιοχές του διαστήματος τώρα", λέει ο Kaiser. "Είναι λοιπόν μια καλή θέση για να αναζητήσουμε τα απομεινάρια του πλανήτη Θεία σε μέγεθος ενός αστεροειδή."

Γι αυτό και τα αποκαλούμε "Θειοαστεροειδείς"

Αστρονόμοι έχουν ψάξει για Θειοαστεροειδείς πριν χρησιμοποιήσουν τηλεσκόπια στη Γη, και δεν βρήκαν τίποτα, αλλά τα αποτελέσματά τους αποκλείουν μόνο  μεγέθους ενός χιλιομέτρου. Αν τα δύο σκάφη εισέλθουν στα σημεία L4 και L5, τότε θα είναι σε θέση να κυνηγήσουν πολύ μικρότερα σώματα σε σχετικά μικρή απόσταση.

Δεξιά: Αυτή η δυναμική προσομοίωση δείχνει πώς οι αστεροειδείς κινούνται αργά-αργά μέσα στο βαρυτικό φρέαρ ενός σημείου Lagrange στο σύστημα Ήλιου-Δία. Το ίδιο φαινόμενο έχουμε και στα σημεία Lagrange ανάμεσα στον Ήλιο και τη Γη.

"Η έρευνα ξεκίνησε στην πραγματικότητα τον περασμένο μήνα, όταν και τα δύο διαστημόπλοια στράφηκαν κατά 180 μοίρες, ώστε να μπορούν να λάβουν μια σειρά από 2-ώρες εικόνες των περιοχών L4/L5. Στο πρώτο σύνολο εικόνων, ερασιτέχνες αστρονόμοι,  που έχουν ανακαλύψει ορισμένους γνωστούς αστεροειδείς όπως και τον κομήτη Itagaki, δεν βρήκαν κανένα Θειοαστεροειδή."

Βέβαια τα δύο σκάφη STEREO δεν έχουν σαν πρωταρχική αποστολή την ανακάλυψη αυτών των κατάλοιπων. Το STEREO είναι ένα ηλιακό παρατηρητήριο. Οι δύο ανιχνευτές βρίσκονται εκατέρωθεν του Ήλιο για να αποκτήσουν μια τρισδιάστατη άποψη της ηλιακής δραστηριότητας. Απλά έτυχε να διέρχονται από τα σημεία L4 και L5.

Μπορεί να μην δούμε τίποτα, λένε οι επιστήμονες, αλλά αν ανακαλύψουμε πολλούς αστεροειδείς γύρω από το L4 ή το L5, θα μπορούσαμε να κάνουμε μια αποστολή για να αναλύσουμε τη σύνθεση των εν λόγω αστεροειδών λεπτομερώς. Εάν αυτή η αποστολή διαπιστώσει ότι οι αστεροειδείς εκείνοι έχουν την ίδια σύνθεση με τη Γη και τη Σελήνη, τότε η υπόθεση των Belbruno Gott για την γιγάντια σύγκρουση θα έχει υποστηριχθεί για τα καλά.

Η έρευνα θα συνεχιστεί για πολλούς μήνες. Τα σημεία Lagrange δεν είναι απειροελάχιστα σημεία στο διάστημα. Είναι περιοχές πλάτους 50 εκατ. χιλιομέτρων. Τα δύο σκάφη του συστήματος STEREO είναι στα προάστια αυτής της περιοχής τώρα. Κατά τον Σεπτέμβριο-Οκτώβριο του 2009 θα βρίσκονται κοντά στο βαρυτικό φρέαρ.

Αναγνώστες προσοχή! Ίσως να είστε σε θέση να βοηθήσετε. Η ομάδα STEREO καλεί το κοινό να συμμετέχει στην αναζήτηση εξετάζοντας τις φωτογραφίες που προέρχονται από το διαστημόπλοιο. Αν δείτε μια κουκίδα φωτός να κινείται σε σχέση με τα αστέρια, είναι πιθανόν να υπάρχει εκεί ένας Θειοαστεροειδής. Για όποιον θέλει ας ανατρέξει στην διεύθυνση sungrazer.nrl.navy.mil

Ας αρχίσει λοιπόν το κυνήγι!

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

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.

Πιο αναλυτικά η θεωρία που λέει ότι η Σελήνη δημιουργήθηκε από ρευστοποιημένα πετρώματα της Γης όταν συγκρούστηκε με ένα μικρό πλανήτη, είναι ιδιαίτερα διαδεδομένη ανάμεσα στους επιστήμονες. Λόγω του μεγέθους του πλανήτη Θεία η ενέργεια που εκλύθηκε ήταν κολοσσιαία και αρκετή ώστε να εκτινάξει στο διάστημα δισεκατομμύρια τόνους πετρωμάτων.

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. 

• Από τη στιγμή που μετά τη σύγκρουση τα πετρώματα βρέθηκαν στο διάστημα ήταν εύκολο να αποκτήσουν σφαιρικό σχήμα εξαιτίας των βαρυτικών δυνάμεων που θα τα παγιδέψουν. Έτσι εξηγείται και το σφαιρικό σχήμα της Σελήνης.

• 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;

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 αστεροειδείς, που λέγονται πλανητοειδείς (planetesimals). Το μεγαλύτερο κομμάτι από αυτή την πρωτότυπη εργασία έγινε από ένα Ρώσο αστροφυσικό, τον V. S. Safronov.

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

Παίρνοντας στις γενικές ιδέες του Safronov, οι Hartmann και ο Νταίηβις 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 άποψη τους λέει ότι στην περίπτωση της Γης (όχι όμως και 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.