Geachte, Deze pdf-bestanden zijn gedownload van de website van Wetenschap in Beeld (www.wetenschapinbeeld.nl) en mogen niet aan derden worden doorgegeven. Omwille van het copyright bevatten ze geen foto's. Met vriendelijke groet, De redactie
Kort na haar ontstaan werd de aarde geramd door een gigantisch hemellichaam. Een groot deel van de mantel werd losgeslagen en zou later de maan vormen. de botsingstheorie De jonge aarde heeft het zwaar De meeste onderzoekers zijn het erover eens dat het big splash -model de meest plausibele verklaring is voor het ontstaan van de maan. Kort na haar ontstaan wordt de aarde geramd door een gigantisch object, misschien wel zo groot als Mars. De stukken die losgeslagen worden, gaan samen met delen van dit object de maan vormen. Het is niet onwaarschijnlijk dat een dergelijk reuzenobject op dat moment de baan van de aarde heeft gekruist. Het binnenste van het vroegere zonnestelsel zat namelijk vol grote en kleine brokstukken die overbleven na het ontstaan van de planeten. Volgens het botsingsmodel verloopt dit proces naar astronomische maatstaven zeer snel: de maan ontstond binnen 100 jaar. 1. De botsing veroorzaakt een enorme explosie waarbij een groot deel van de aardmantel losraakt. 38 Door Lars Petersen. Illustraties: Mikkel Juul Jensen
Vorming van de maan was een onthullend nieuw onderzoek Nye afslørende studier meevaller Zonder de maan zou het maar saai zijn op aarde: geen jaargetijden, mineralen of biodiversiteit. We hebben dus flink mazzel gehad. Volgens recent onderzoek zijn manen zoals de onze schaars in het heelal. 2. De losse delen komen samen met de brokstukken van het object in een baan om de aarde. 3. De delen draaien om de hele aarde heen. Metaal van het object wordt afgezet in de aardkorst. 4. Onder invloed van de onderlinge zwaartekracht trekken de losse delen naar elkaar toe. 5. De delen vormen de maan. Het metaal uit de objectkern is over de buitenste aardlaag verdeeld.
de invangtheorie Een asteroïde loopt in de val Als zonnestelsels net zijn ontstaan, vliegen er veel objecten doorheen. Sommige worden via zwaartekracht tot een planeet aangetrokken; zo worden ze een maan. Volgens deze theorie kunnen manen best ergens anders in het zonnestelsel ontstaan zijn en dan pas zo dicht bij een grote planeet komen dat ze ingevangen worden door de zwaartekracht. Van de twee manen van Mars, Phobos en Deimos, wordt gedacht dat ze oorspronkelijk asteroïden waren in een gordel tussen Mars en Jupiter. Wat grootte en uiterlijk betreft lijken Phobos en Deimos meer op asteroïden dan op de manen zoals we die van andere planeten kennen. Onze maan is geen ingevangen hemellichaam. Dat zou ook wel erg toevallig zijn: de maan zou binnen een straal van 50.000 kilometer van de aarde moeten komen, met precies de juiste snelheid zodat hij zijn eigen baan kan verlaten en in een baan rond de aarde komt, zonder er op neer te storten. Het feit dat de maan vrij groot is vergeleken bij de aarde, maakt dit scenario extra onwaarschijnlijk. 1. Sterren worden omringd door stof en stukken steen die zijn ontstaan uit het stof waaruit de sterren en hun planeten zelf zijn voortgekomen. Als een brokstuk dicht bij een planeet in de buurt komt, kan het worden afgeremd door de zwaartekracht. 2. Als het precies de goede snelheid heeft, verlaat het de baan rond de ster en komt het in een baan om de planeet. 3. Kort hierna stabiliseert de baan zich. Normaal ligt deze baan in hetzelfde vlak als de overige planeten van de ster. M ensen hebben altijd iets gehad met de maan we hebben er gedichten over geschreven, goden naar vernoemd en er onze kalender op gebaseerd. En nu blijkt dat onze maan ook echt uniek is. Recent onderzoek toont aan dat er in andere zonnestelsels die we de laatste jaren ontdekt hebben, bijna geen planeten zijn met zo n soort maan. De Amerikaanse onderzoekster Nadya Gorlova bekeek 400 sterren met de ruimtetelescoop Spitzer en stelde vast dat er slechts één planeet is die misschien eenzelfde soort maan heeft als de aarde. Deze ontdekking is van groot belang voor de vraag of er leven mogelijk is op deze exoplaneten in andere zonnestelsels. De 400 sterren die voor het onderzoek geselecteerd werden zijn circa 30 miljoen jaar, want zo oud moet de aarde ongeveer geweest zijn toen de maan ontstond. De maan is hoogstwaarschijnlijk ontstaan als gevolg van een hevige botsing, waarbij een groot object de nog jonge planeet ramde. Hierbij kwam materiaal vrij dat zich later verzamelde en de maan zou vormen. Tegelijk ontstonden er enorme hoeveelheden stof die zich door het hele zonnestelsel verspreidden. Door naar dit stof te zoeken, wil men uitzoeken of er op deze manier ook manen aan het ontstaan zijn in andere zonnestelsels. Voor deze taak is de Spitzer heel geschikt want deze telescoop neemt licht waar met een golflengte van 3 tot 180 micrometer. Bij deze golflengte is het mogelijk om objecten te zien met een temperatuur die te laag is om gewoon licht uit te stralen. En enorme moleculen- en stofwolken hebben nu net een lagere temperatuur dan de grote hemellichamen. Extreme botsingen zijn zeldzaam Ondanks grondig onderzoek ontdekte de Spitzer tussen de 400 sterren slechts één veelbelovende stofwolk die kan duiden op de vorming van een maan. Daarna zijn astronomen gaan berekenen hoe groot de kans op het ontstaan van een maan is. Als er geen stof rond een ster was, sloten ze het ontstaan van een maan zoals de onze niet meteen uit. Zo hielden ze er rekening mee dat het stof slechts korte tijd aanwezig was geweest, of dat de botsing pas later plaatsgevonden zou hebben. Door die factoren mee te nemen in de berekeningen konden ze vaststellen dat de kans dat er in een ander zonne- 40 Wetenschap in Beeld nr. 9/2008
Binnenin rommelt het Net als de aarde heeft de maan een kern die bestaat uit vast metaal binnenin en vloeibaar metaal eromheen. Dit weten we door berekeningen op basis van de manier waarop de maan slingert in haar baan om de aarde. Waarschijnlijk zit er vooral ijzer in de kern, maar ook nikkel. De metalen zijn afkomstig van de grote botsing. Na verloop van tijd zijn ze naar het midden gezonken en vormden ze een kern. Om de kern zit de mantel en daaromheen zit de korst. Maar in tegenstelling tot de aarde vertoont het maanoppervlak geen geologische activiteit. Er zijn wel vaak maanbevingen. Deze ontstaan in een zone zo n 1000 kilometer onder het maanoppervlak, als gevolg van de spanning die wordt opgebouwd doordat de maan zich in een elliptische baan rond de aarde beweegt. Vaste kern Diameter: 800 km Vloeibare kern Dikte: 300 km Bevingszone Dikte: 300 km Mantel Dikte: 700 km Korst Dikte: 50 km stelsel een maan als de onze ontstaat, hooguit 10% is. En dan weten we nog niet eens of zo n hevige botsing altijd tot het ontstaan van een maan leidt. Dit staat namelijk niet vast, dus misschien is het ontstaan van dit type manen nog zeldzamer, en de onze dus nog unieker. Verder blijkt uit observaties dat de vorming van planeten zo n 30 miljoen jaar na het ontstaan van een ster stopt. Rotsplaneten ontstaan, net zoals onze maan, bij botsingen tussen grote en minder grote brokstukken, waarbij heel veel stof vrijkomt. Tot dusver ging men ervan uit dat dit proces plaatsvond tussen de 10 en 50 miljoen jaar na het ontstaan van een ster, maar nu blijkt dus dat de vorming van planeten na 30 miljoen jaar al afgelopen is. Er zijn wel vaker sterren gevonden die door grote stofwolken waren omringd, maar daarbij ging het om jonge sterren. Het vrijgekomen stof kan dus ook het resultaat zijn van het ontstaan van de ster zelf. In deze recente studie zijn uitsluitend sterren bestudeerd die net zo oud waren als de zon op het moment dat het aarde-maansysteem ontstond. De maan maakt het leven leuk Onze maan is vrij groot; haar diameter is maar vier keer zo klein als die van onze planeet. Ter vergelijking: de grootste maan van ons zonnestelsel, Ganymedes, heeft een diameter die 27 keer zo klein is als die van haar moederplaneet Jupiter. De grootte kan een gevolg zijn van de hevige gebeurtenissen bij een botsing. Omdat de maan zo groot is, heeft ze meer invloed op de aarde dan andere manen op hun planeet. Misschien is onze maan wel de reden dat zich ooit leven heeft kunnen ontwikkelen op aarde. Een van de meest opvallende effecten van de maan is het getij, waardoor de aarde twee n. gorlova, nasa/jpl Als er veel manen zoals de onze waren, hadden we rond veel andere sterren stof moeten zien maar dat is dus niet het geval. astronoom Nadya Gorlova, die na het observeren van jonge sterren met de ruimtetelescoop spitzer inzag hoe uniek de maan is. keer per etmaal eb en vloed kent. Hierdoor is een milieu ontstaan dat nergens anders in ons zonnestelsel voorkomt, omdat sommige gebieden beurtelings onder water staan en blootgesteld zijn aan zuurstofrijke lucht. Deze afwisseling tussen twee ecologische milieus kan er de oorzaak van zijn dat leven zich vanuit het water naar het land heeft verplaatst, omdat organismen in deze gebieden zich geleidelijk hebben kunnen aanpassen Wetenschap in Beeld nr. 9/2008
onze maan: de feiten spl/foci Argon en helium zijn bestanddelen van de ijle maanatmosfeer, die een zo lage dichtheid heeft dat sommige vacuüms op aarde nog meer deeltjes per kubieke eenheid bevatten. De Apollomissies brachten in totaal 2196 maanmonsters mee, die samen 382 kilo wogen. Vanaf de maan zie je de Chinese Muur niet. Zonder de maan was het leven vast niet aan land gegaan, want door de maan ontstaat het getij, dat levende organismen blootstelt aan water én lucht. Alan Sheppard heeft op de maan gegolft, maar zijn ruimtepak was zo stijf dat hij met één hand moest slaan. De maan heeft 50.000 kraters van zeker een kilometer doorsnee. Als de maan op de aarde zou liggen, zou ze zich uitstrekken van Madrid tot aan Moskou. De Hubbletelescoop kan objecten van 85 meter op de maan nog goed onderscheiden, maar dus geen vlaggen of maanwagens. In de schaduwen, het mannetje op de maan, zien de Chinezen een pad. Andere culturen zien er een konijn in. spl/foci aan een vreemd milieu. Vormen van leven die zich op land wisten te redden, speelden een doorslaggevende rol in verfijnde evolutionaire ontwikkelingen, zoals het ontstaan van intelligentie. Dus misschien mogen we aannemen dat we er zonder de maan niet zouden zijn. Verder speelt de maan nog steeds een rol bij de geologische omstandigheden op aarde. De aantrekkingskracht van de maan beïnvloedt niet alleen zeewater, en daarmee het getij, maar ook de aardkorst. Toen de aarde jong was, stond de maan veel dichterbij en had dus meer invloed op het getij. Dit leidde tot deformaties van soms wel een kilometer lang op het aardoppervlak, met enorme spanningen in de aarde tot gevolg. Samen met de warmte die vrijkwam bij het ontstaan van de aarde en het verval van radioactieve grondstoffen, bevorderde dit het smelten van de jonge aarde, wat weer leidde tot chemische differentiatie van grondstoffen en de vorming van de aardkorst. Door de unieke platentektoniek die hierdoor op gang kwam, begon een kringloop van materialen in de korst van de aarde die van groot belang was voor de ontwikkeling van continenten. Veel aardeachtige planeten, die er in andere zonnestelsels ook moeten zijn, vertonen veel minder geologische variatie. Volgens de Amerikaanse astronomen komt dat door het ontbreken van een maan. Om die reden is het ook maar de vraag of ze, net als de aarde, regelmatige seizoenen hebben. De meeste geleerden zijn het erover eens dat de axiale helling van 23,5 graden die de aarde heeft, het gevolg is van de botsing waarbij de maan ontstond. De seizoenen die we nu als gevolg van deze helling kennen, zijn dus het resultaat van een botsing van 4,6 miljard jaar geleden. Ook vermoedt men dat de grootte van de maan een rol speelde bij het stabiliseren van de axiale helling. Zonder die stabiliteit hadden de levensomstandigheden hier er heel anders uitgezien; een variërende helling had geleid tot sterke klimaatschommelingen, zoals op Mars. Door het gebrek aan een maan varieert de axiale helling daar van loodrecht tot 60 graden. De kleine helling van de aardas zorgt ervoor dat we, als gevolg van de afwisselende opwarming van de polen en de evenaar, veel klimaatzones hebben en dus ook een brede ecologische variatie, die de fauna ten goede komt. Metalen komen uit de ruimte De aanwezigheid van metalen in de aardkorst is een minder opvallend gevolg van onze maan. Al sinds de analyse van de eerste maanmonsters verbaast men zich erover dat er, vergeleken bij het maanoppervlak, zo veel metalen in de aardkorst 42 Wetenschap in Beeld nr. 9/2008
zitten. Als de aarde, zoals men vermoedt, ooit helemaal vloeibaar is geweest, dan zouden deze metalen gebonden zijn in de aardkern naarmate de aarde afkoelde. En dan zou het metaalgehalte dus gelijk moeten zijn aan dat op de maan. Ook daar is een mogelijke verklaring voor: bij de botsing waarbij de maan ontstond, werd een deel van de aardmantel weggeslagen, dat samen met de mantel van het binnenkomende object de maan is gaan vormen. De metalen kern van dit object verdween niet opnieuw de ruimte in, maar werd in de aardmantel afgezet. Na miljoenen jaren tektonische activiteit verzamelden de metalen zich in aders; nu worden ze gedolven en zijn ze de basis van de technologische samenleving. Nog een voordeel: de maan beschermt tegen grote meteoren. De zwaartekracht van de maan buigt namelijk de baan van meteoren die op weg zijn naar de aarde af, zodat rampzalige botsingen niet zo vaak voorkomen en het leven op aarde zich tussendoor weer kan herstellen. Veel wijst er dus op dat het leven, en de aarde zelf, niet hetzelfde zouden zijn zonder de maan. Die kennis is bruikbaar als we de komende decennia op zoek gaan naar planeten zoals de aarde. Zelfs met de modernste telescopen zijn exoplaneten moeilijk direct waar te nemen; nog moeilijker is het om manen te vinden. Maar de techniek kan verder ontwikkeld worden, zodat ook dit straks mogelijk is. En dan kan blijken dat het niet genoeg is om, net zoals de NASA, te zeggen: waar water is, kan leven zijn. Dus misschien moeten we wel zeggen: waar een maan is, kan intelligent leven zijn. Meer op www.wetenschapinbeeld.nl de splijtingstheorie Stof trekt weg voordat de planeet klaar is Volgens dit model ontstaat een maan uit stof dat loskomt van een protoplaneet. De buitenste delen zijn nog steeds vloeibaar, en komen dus makkelijk los. Geologen wijzen dit model af omdat maangesteenten minder water bevatten dan de aardse, en een andere metaalverhouding kennen. Als ze waren ontstaan uit dezelfde materie, dan zou de samenstelling gelijk zijn. 1. Kort na zijn ontstaan draait een planeet heel snel; daardoor komt de buitenste laag los. 2. Het nog vloeibare oppervlaktemateriaal verdwijnt in een baan om de planeet, waar het later stolt. 3. Dit materiaal vormt een maan met dezelfde samenstelling als het oppervlak van de moederplaneet. de dubbelplaneettheorie Brokstukken waren al vanaf het begin verdeeld Soms vliegen de brokstukken waar een planeet van gemaakt is, uit elkaar, en een aantal daarvan vormen manen. Zo zouden de manen van Jupiter ontstaan kunnen zijn. Onze maan kan ontstaan zijn zoals het brokstukmodel of de dubbelplaneettheorie veronderstelt. Het probleem is dat er niet zo veel ijzer in de bovenste maanlagen zit als je zou verwachten. 1. Stof en stenen verzamelen zich en gaan langzaam objecten met een steeds grotere massa vormen. 2. De objecten draaien in een baan rond elkaar; ze maken geen contact en komen dus niet samen. 3. De brokstukken verzamelen zich tot hemellichamen. Is de maan groot genoeg, dan wordt ze rond.