Dünya, Güneş Sistemi'ndeki diğer kayalık gezegenlere kıyasla olağanüstü büyük bir aya sahip; ancak bilim insanları onun nasıl oluştuğunu hâlâ tam olarak anlamıyor. Southwest Research Institute ve Arizona Üniversitesi araştırmacılarının yeni çalışması, Ay'ın doğuşunda uzun süre göz ardı edilen bir etkenin önemli rol oynamış olabileceğini gösteriyor: çarpışan cisimlerin fiziksel dayanımı.
Araştırmacılar, gelişmiş bilgisayar simülasyonlarıyla yaklaşık 4,5 milyar yıl önce genç Dünya ile Mars büyüklüğündeki bir cisim arasında gerçekleştiği düşünülen devasa çarpışmayı inceledi. Sonuçlar, iki cismin sıcaklığı ve yapısal özelliklerine bağlı olarak çarpışmanın çok farklı sonuçlar doğurabildiğini ortaya koydu.
Bulgular The Astrophysical Journal Letters dergisinde yayımlandı. Simülasyonlar ilk kez iki antik dünyanın malzeme dayanımını hesaba katıyor. Bu ekleme, Ay'ı oluşturan çarpışmanın anlaşılmasını yeniden şekillendirebilir ve olayın ne zaman gerçekleştiğine dair ipuçları sağlayabilir.
"Mars büyüklüğündeki proto-ayın önceden var olan jeolojisinin önemli olduğunu keşfettik," dedi Lunar and Planetary Laboratory'de eski doktora sonrası araştırmacı olup şimdi SwRI'de çalışan Adeene Denton. "Dünya ve Ay'ı jeolojik özelliklere sahip çarpışan cisimler olarak simüle ettiğinizde, Ay'ın bu çarpışmadan nasıl oluştuğu değişiyor; bunu daha önce gereksiz görüyorduk."
Dev Çarpışma Teorisini Yeniden Değerlendirmek
Ay'ın kökenine ilişkin önde gelen açıklamalarından biri dev çarpışma senaryosu. Bu fikre göre, Theia adı verilen Mars büyüklüğündeki bir cisim erken Dünya ile çarpıştı. Çarpışma Theia'yı yok etti ve kalıntılarını Dünya çevresinde yörüngeye fırlattı; bu da sonunda Ay'a dönüşen bir enkaz diski oluşturdu.
Bu senaryonun temelini oluşturan 2001 tarihli çalışmayı, Boulder, Colorado'daki SwRI Güneş Sistemi Bilimi ve Keşif Bölümü başkan yardımcısı Robin Canup ile Lunar and Planetary Laboratory profesörü ve yeni çalışmanın ortak yazarı Erik Asphaug yönetti.
Bu erken simülasyonlar ve daha sonra yapılan pek çok model malzeme dayanımını hesaba katmadı. Bilim insanları çarpışmanın o kadar enerjik olduğunu varsaydı ki kayalık cisimler pratikte akışkan gibi davranabilirdi.
Denton ve meslektaşları bu varsayımın geçerli olup olmadığını test etmeye karar verdi. Modern hesaplama yöntemleriyle Ay oluşumu simülasyonlarına ilk kez sıcaklık bağımlı jeolojik dayanımı dahil ettiler.
"Çarpışmanın Dünya ve Theia'nın büyük bölümlerini eritip buharlaştıracak kadar şiddetli olduğu düşünüldüğü için, önceki makaleler bunların akışkan olarak yaklaşıklandırılmasının yeterli olduğunu varsaydı," dedi Asphaug. "Yeni sonuçlarımıza göre ise bunun yeniden gözden geçirilmesi zamanı geldi."
Çarpışmaya Gerçekçi Jeolojiyi Katmak
Dev çarpışmayı yeniden ele almak için Denton, daha gelişmiş bir düzgün parçacık hidrodinamiği simülasyonu, yani SPH yöntemini kullandı. Bu simülasyonlar, nesneleri tamamen akışkan olarak değil, yapısal dayanımlarını da dikkate alarak modeller.
"Malzeme dayanımı, asteroitler, cüce gezegenler ve aylar gibi daha küçük cisimler arasındaki çarpışmaları incelerken gerçekten çok önemli," dedi Denton, Pluto-Charon sisteminin oluşumu üzerine daha önceki bir makalede çalışırken bu kavramı Dünya'nın ayına uygulamayı düşündüğünü belirten. "Dünya'nın ayımız için önemli olup olmayacağından emin değildik. Simülasyonları yaptığımızda aslında oldukça önemli olduğunu gördük."
Çalışmada kullanılan SPH sürümü Arizona Üniversitesi ve İsviçre'deki Bern Üniversitesi'nde geliştirildi. Dayanım modeli, simüle edilen gezegensel maddenin Theia ve proto-Dünya'yı oluşturduğu düşünülen kaya ve metaller veya katı buz gibi gerçek jeolojik maddelerle tutarlı şekilde deformasyona direnmesini sağlıyor.
Ay Çok Farklı Yollardan Oluşabilir
Sıcaklık özellikle önemli çıktı. Daha sıcak gezegensel cisimler mekanik olarak daha zayıftır ve simülasyonlar bu farkın çarpışma sonrası olanları dramatik şekilde etkileyebileceğini gösterdi.
Bazı koşullarda çarpışma Theia'yı yok eder ve Dünya çevresinde geniş bir protolunar disk oluşturur. Diskteki malzeme zamanla bir araya gelerek Ay'ı oluşturur.
Ancak diğer simülasyonlar çok daha dramatik bir sonuç üretti. Enkazdan yavaşça oluşmak yerine, tamamen sağlam bir Ay sadece birkaç saat içinde belirdi.
Genç proto-gezegenler genellikle sıcak başlar ve yaşlandıkça soğur; bu sonuç, dev çarpışmanın zamanlaması ile Ay'ın başlangıçta nasıl oluştuğu arasında potansiyel olarak önemli bir bağlantı kuruyor.
"Dünya ve Ay'ın çarpışma öncesi ne kadar sıcak olduğuna bağlı olarak, çarpışma Theia'yı yok edebilir ve sonunda Ay'ı oluşturacak dev bir enkaz diski üretebilir," dedi Denton. "Ancak orijinal çarpışma modellemesiyle aynı parametreleri kullandığımızda - her iki cismin içindeki eşit sıcaklık yapıları dahil - yaklaşık beş saat içinde sağlam bir ay ortaya çıktı."
Daha önceki simülasyonlar da sağlam aylar üretmişti, ancak yeni çalışma malzeme dayanımı ve sıcaklığın Ay'ın büyük ölçüde sağlam mı yoksa protolunar diskteki işlenmiş enkazdan kademeli olarak mı oluştuğunu belirlemede merkezi olabileceğini ilk kez gösterdi.
Ay'ın Doğuş Zamanına Dair Yeni İpuçları
Bulgular, Ay'ın günümüzdeki özelliklerini milyarlarca yıl önceki Dünya ve Theia'nın fiziksel durumu ile ilişkilendirme olanağı sunabilir.
"Bu şaşırtıcı ve heyecan verici yeni sonuçlar, Ay'ın günümüzdeki fiziksel özelliklerinin, muhtemelen uçucu madde içeriğinin de, dev çarpışma sırasında Dünya ve Theia'nın termal durumu ile potansiyel bir bağlantısı olduğunu gösteriyor," dedi çalışmaya dahil olmayan Canup. "Bu da bilim insanlarının ay oluşturan olayın ne zaman gerçekleştiğini daha iyi sınırlamasına yardımcı olabilir."
Ancak önemli bir gizem hâlâ çözümsüz.
Dünya ve Ay olağanüstü benzer bileşimlere sahip; bu durum dev çarpışma modellerinin uzun süredir tam olarak açıklayamadığı bir sorun.
"Dünya ve Mars Güneş Sistemi'nin aynı bölgesinde oluştuğu için kardeş gibiler," dedi Denton. "Ay ve Dünya daha çok ikiz kardeşler."
Bir olasılık, Theia ve proto-Dünya'nın erken Güneş Sistemi'nin aynı bölgesindeki malzemeden oluşmuş olması. Bileşimi Dünya ve Ay'dan farklı olan Mars'ın daha uzakta oluşmuş olması mümkün.
Ay'ın Kökenine Dair Yeni Bir Pencere
Dünya ve Theia'nın iç koşulunun çarpışmanın sonucunu güçlü şekilde etkileyebileceğini göstererek çalışma, gezegen biliminin en büyük gizemlerinden birini araştırmak için araştırmacılara yeni bir yol sunuyor.
"Dünya ve Theia'nın jeofiziksel durumunun çarpışmanın sonucunu şekillendirmede temel bir rol oynadığını artık biliyoruz," dedi Asphaug grubundaki doktora öğrencisi ve çalışmanın ortak yazarı. "Bu, çarpışma koşullarını ve Ay'ın kökeni hakkında ne ortaya çıkarabileceğini keşfetmek için bize yeni bir yol veriyor."
