این رویداد احتمالاً در حدود ۴.۵ میلیارد سال پیش روی داده است؛ زمانی که منظومه شمسی هنوز در حال شکل‌گیری بود و برخوردهای شدید بین اجرام آسمانی امری معمول محسوب می‌شد. اما پیدایش ماه به یک برخورد کیهانی محدود نمی‌شود. ویژگی‌های شیمیایی سنگ‌های ماه، شباهت آن‌ها به ترکیبات زمین و شواهد مربوط به گذشته مذاب این قمر، اطلاعات ارزشمندی درباره این رویداد باستانی به دانشمندان ارائه داده‌اند.
چگونه ماه شکل گرفت؟ نظریه برخورد بزرگ چه می‌گوید؟
بر اساس معتبرترین توضیح علمی، ماه نتیجه برخورد زمین اولیه با یک جرم سیاره‌ای فرضی به نام «تیا» (Theia) است. دانشمندان اندازه این جرم را تقریباً به اندازه مریخ تخمین می‌زنند؛ سیاره‌ای که قطر آن حدود نصف قطر زمین کنونی است.
در آن زمان، زمین هنوز به شکل امروزی خود نرسیده بود و سطح آن با توجه به برخوردهای مکرر و گرمای ناشی از فرآیندهای درونی، شرایطی کاملاً متفاوت داشت. تیا نیز در همین محیط پرآشوب منظومه شمسی جوان شکل گرفته بود.
زمانی که مسیر این دو جرم بر هم منطبق شد، برخوردی با انرژی فوق‌العاده‌ای صورت گرفت. بخشی از مواد گوشته زمین و جرم برخوردی به فضا پرتاب شدند. برخی از این مواد در مدار پیرامون زمین باقی ماندند و به‌تدریج تحت تأثیر گرانش به یکدیگر متصل شدند.
به این ترتیب، ذرات و تکه‌های سنگی در اطراف زمین اولیه گرد آمدند و در نهایت یک جرم بزرگ و یکپارچه را تشکیل دادند؛ جرمی که بعدها به نام کره ماه شناخته شد.
البته لازم به ذکر است که این واقعه به‌هیچ‌وجه نباید به‌عنوان برخوردی عادی میان دو سنگ تصور گردد. انرژی آزاد شده در چنین برخوردی به‌اندازه‌ای بود که بخش زیادی از مواد درگیر می‌توانستند ذوب یا بخار شوند و ساختار اولیه زمین و جرم برخوردکننده را به‌شدت تغییر دهند.
تیا چه نوع سیاره‌ای بود و چرا با زمین برخورد کرد؟
تیا نامی است که دانشمندان به جرم فرضی‌ای که با زمین برخورد کرده، اطلاق کرده‌اند. در اسطوره‌شناسی یونان، تیا یکی از تیتان‌هاست و انتخاب این نام برای جرم احتمالیِ سازنده ماه نیز به همین سنت برمی‌گردد.
هنوز هیچ نمونه‌ای از تیا به‌طور قطعی شناسایی نشده است؛ بنابراین اطلاعات ما درباره این جرم محدود به شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای، بررسی‌های مربوط به برخوردهای سیاره‌ای و تجزیه‌و‌تحلیل مواد تشکیل‌دهنده زمین و ماه است.
برخی مدل‌ها نشان می‌دهند که تیا ممکن است در ناحیه‌ای نزدیک به مدار زمین شکل گرفته باشد. با این حال، محل دقیق تولد آن، ترکیب اولیه و نحوه حرکت آن در منظومه شمسی همچنان در حال بررسی است.
نکته اساسی این است که برخورد تیا به‌هیچ‌وجه نتیجه یک واقعه کاملاً تصادفی و غیرقابل‌توضیح نبود. در منظومه شمسی اولیه، اجرام متعددی تحت تأثیر گرانش یکدیگر قرار داشتند و برخوردهای بزرگ جزو فرایند طبیعی شکل‌گیری سیارات به شمار می‌رفتند.
پس از برخورد، چگونه ماه شکل گرفت؟
پس از وقوع برخورد، حجم زیادی از مواد سنگی در اطراف زمین پخش شد. بخشی از این مواد به سطح زمین بازگشت، اما قسمت دیگری در مدار باقی ماند و به شکل یک دیسک از بقایای داغ و ذرات سنگی درآمد.
از آنجا که گرانش به‌تدریج این مواد را به هم متصل کرد، ذرات کوچک‌تر با هم تصادف کرده و توده‌های بزرگ‌تری را تشکیل دادند. این توده‌ها نیز بعدها با هم پیوستند تا در نهایت ماه اولیه شکل گیرد.
برخی شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهند که بخش عمده‌ای از فرایند شکل‌گیری اولیه ماه ممکن است بسیار سریع و حتی در عرض چند ساعت پس از برخورد آغاز شده باشد. با این حال، این بدان معنا نیست که تمام مراحل شکل‌گیری ماه در یک بازه زمانی کوتاه‌مدت به پایان رسیده است؛ جمع‌آوری مواد، سرد شدن و تحول ساختار داخلی آن فرایندهایی هستند که به زمان بیشتری نیاز داشتند.
ماه تازه شکل‌گرفته احتمالاً بسیار داغ بود و بخش زیادی از سطح یا حتی بخش قابل‌توجهی از ساختار آن از مواد مذاب تشکیل می‌شد. دانشمندان بر این باورند که در ماه اولیه یک اقیانوس از ماگما وجود داشت که با گذشت زمان سرد شده و مواد معدنی آن به‌تدریج متبلور شدند.
این فرایند به شکل‌گیری پوسته ماه کمک کرد و سطحی را ایجاد کرد که در طول میلیاردها سال بعد، تحت تأثیر برخورد سیارک‌ها و دیگر فرآیندهای زمین‌شناسی تغییرات زیادی را متحمل شده است.
چه شواهدی بیانگر این است که ماه از برخورد زمین حاصل شده است؟
نظریه برخورد بزرگ به‌تنهایی فقط یک روایت جالب درباره تاریخ زمین نیست. تعدادی از شواهد علمی از این سناریو حمایت می‌کنند، گرچه هنوز تمامی جزئیات آن روشن نشده است.
۱. شباهت غیرقابل‌باور سنگ‌های زمین و ماه
یکی از مهم‌ترین سرنخ‌ها از مأموریت‌های آپولو به دست آمده است. فضانوردان نمونه‌هایی از سنگ‌ها و خاک ماه را به زمین آوردند و دانشمندان موفق به مقایسه ترکیب شیمیایی و ایزوتوپی آن‌ها با سنگ‌های زمینی شدند.
نتایج نشان دادند که مواد زمین و ماه از نظر بسیاری از نسبت‌های ایزوتوپی شباهت قابل‌توجهی دارند. ایزوتوپ‌ها گونه‌های مختلف یک عنصر هستند که تعداد نوترون‌های متفاوتی دارند. نسبت آن‌ها می‌تواند مانند یک اثر انگشت شیمیایی، اطلاعاتی درباره منشأ یک ماده ارائه دهد.
این شباهت با این نظریه مطابقت دارد که مواد زمین اولیه و جرم برخوردی در زمان برخورد و پس از آن با هم مخلوط شده‌اند. با این حال، توضیح دقیق میزان این شباهت همچنان یکی از چالش‌های اصلی مدل‌های مختلف پیدایش ماه به شمار می‌آید.
۲. ماه دارای هسته آهنی کوچکی است
اگر ماه به‌مانند یک سیاره مستقل و به شیوه‌ای مشابه زمین شکل گرفته بود، انتظار می‌رفت ساختار داخلی آن شباهت بیشتری به ساختار زمین داشته باشد. با این حال، ماه نسبت به ابعاد خود هسته آهنی کوچک‌تری دارد.
نظریه برخورد بزرگ می‌تواند این ویژگی را توجیه کند. طبق بسیاری از مدل‌ها، بخش عمده‌ای از هسته فلزی زمین اولیه و جرم برخوردی در زمان برخورد به مرکز زمین پیوسته است، در حالی که مواد سنگی غنی از سیلیکات سهم قابل‌توجهی در شکل‌گیری دیسک پیرامون زمین و ماه داشته‌اند.
به همین دلیل، ماه از نظر ترکیب کلی به مواد سنگی گوشته زمین شباهت دارد و سهم آهن فلزی آن کمتر است.
۳. در گذشته ماه اقیانوس وسیعی از ماگما وجود داشت
شواهد زمین‌شناختی حاکی از این هستند که ماه در گذشته بسیار داغ بوده و بخش وسیعی از سطح آن را مواد مذاب پوشانده بودند. وجود سنگ‌هایی مانند آنورتوزیت در پوسته ماه نیز با سرد شدن و تبلور یک اقیانوس ماگمائی همخوانی دارد.
این شرایط با انرژی عظیم آزادشده در برخورد دو جرم سیاره‌ای ارتباط دارد. مواد حاصل از برخورد می‌توانستند در ابتدا بسیار داغ بوده و سپس در طول یک بازه زمانی طولانی سرد شوند.
۴. ماه دارای مواد فرار کمتری است
ماه در مقایسه با زمین از عناصر و ترکیبات فرار، یعنی موادی که در دماهای بالا به‌آسانی تبخیر می‌شوند، فقیرتر است. این تفاوت یکی دیگر از سرنخ‌هایی است که با سناریوی برخورد انرژی بالا مطابقت دارد.
در چنین واقعه‌ای، دمای بسیار بالا می‌توانست باعث شود بخشی از مواد فرار از دست بروند. با این حال، دانشمندان برای توضیح دقیق ترکیب شیمیایی ماه باید شرایط دما، فشار، ترکیب مواد و نحوه سرد شدن بقایای برخورد را نیز در نظر بگیرند.
آیا نظریه‌های دیگری برای ظهور ماه وجود دارند؟
پیش از آنکه نظریه برخورد بزرگ به توضیح اصلی پیدایش ماه تبدیل شود، چند فرضیه دیگر نیز مطرح شده بودند.
در نظریه شکل‌گیری هم‌زمان، ماه و زمین هر دو از مواد موجود در یک ناحیه از منظومه شمسی ابتدایی به وجود آمده‌اند. این ایده می‌توانست برخی از شباهت‌های ترکیبی آن‌ها را توجیه کند، اما توضیح ویژگی‌های مداری و ساختار داخلی ماه با آن دشوار بود.
فرضیه به‌دام‌افتادن گرانشی نیز پیشنهاد می‌کرد که ماه در نقطه‌ای دیگر از منظومه شمسی شکل گرفته و سپس به دلیل جاذبه زمین به دام افتاده است. با این حال، چنین سناریوی باید توضیح می‌داد که چگونه ماه در مداری پایدار قرار گرفته و چرا ترکیب آن تا این حد به زمین شباهت دارد.
فرضیه جدا شدن از زمین نیز بر این ایده مبتنی بود که بخشی از زمین اولیه جدا شده و ماه را تشکیل داده است. اما این توضیح به‌تنهایی با تمامی ویژگی‌های سیستم زمین و ماه سازگار نبود.
تحلیل‌های نمونه‌های ماه که فضانوردان مأموریت‌های آپولو به زمین آوردند، همراه با پیشرفت مدل‌های رایانه‌ای، موجب شد نظریه برخورد بزرگ به جایگاه اصلی خود در توضیح منشأ ماه برسد.
آیا دانشمندان به‌طور دقیق می‌دانند ماه چگونه شکل گرفته است؟
با وجود شواهد گسترده، هنوز نمی‌توان تمام مراحل تولد ماه را با قطعیت بازسازی کرد. یکی از پرسش‌های مهم این است که برخورد تیا با زمین دقیقاً با چه زاویه و سرعتی رخ داده و چه مقدار از مواد هر جرم در ساختار نهایی ماه سهم داشته است.
مدل‌های مختلف نتایج گوناگونی ارائه می‌کنند. در برخی سناریوها، مواد زمین اولیه سهم بیشتری در تشکیل ماه دارند و در برخی دیگر، سهم جرم برخوردکننده بیشتر است. شبیه‌سازی‌های جدیدتر نیز شرایط اولیه دو جرم، دمای آن‌ها و نحوه توزیع مواد پس از برخورد را با جزییات بیشتری بررسی می‌کنند.
شباهت ایزوتوپی زمین و ماه نیز پرسش‌های مهمی را مطرح کرده است. اگر ماه از مواد دو جرم متفاوت ساخته شده باشد، چرا ترکیب ایزوتوپی آن به این اندازه به زمین نزدیک است؟ اختلاط شدید مواد پس از برخورد یکی از پاسخ‌های پیشنهادی است، با این حال پژوهشگران هنوز در حال بررسی روش‌های مختلف برای توضیح این ویژگی هستند.
بنابراین، نظریه برخورد بزرگ از حمایت علمی گسترده‌ای برخوردار است، اما جزئیات دقیق این واقعه همچنان موضوع تحقیقات فعال در علوم سیاره‌ای می‌باشد.
سن ماه چقدر است؟
سن ماه تقریبا ۴.۵ میلیارد سال تخمین زده می‌شود؛ بدین معنی که این قمر در مراحل ابتدایی تاریخ منظومه شمسی شکل گرفته است. بر اساس شواهد بررسی‌شده توسط ناسا، تشکیل ماه احتمالاً حدود ۶۰ میلیون سال پس از آغاز شکل گیری منظومه شمسی انجام شده است.
تعیین سن دقیق ماه کار آسانی نیست. دانشمندان با استفاده از روش‌های سن‌سنجی رادیومتری، بررسی سنگ‌های ماه و مقایسه آن‌ها با شواهد موجود در شهاب‌سنگ‌ها سعی می‌کنند زمان تشکیل این قمر را محدودتر کنند.
باید توجه داشت که سن قدیمی‌ترین مواد ماه، زمان تبلور پوسته آن و زمان خود برخورد لزوماً یکسان نیستند. این مراحل ممکن است در زمان‌های متفاوتی اتفاق افتاده باشند و به همین خاطر، برآورد سن ماه همچنان با عدم‌قطعیت‌هایی همراه است.
جمع‌بندی؛ برخوردی که چهره زمین را دگرگون کرد
ماه به احتمال زیاد نتیجه یکی از شدیدترین رویدادهای تاریخ منظومه شمسی است. تصادم زمین اولیه با جرم فرضی تیا، مقادیر زیادی از مواد را به مدار زمین فرستاده و این مواد در ادامه به هم پیوستند تا قمر طبیعی ما متولد شود.
شباهت ترکیب ایزوتوپی سنگ‌های زمین و ماه، هسته آهنی کوچک ماه، شواهد مرتبط با اقیانوس اولیه ماگما و کمبود برخی عناصر فرار، همگی با این فرضیه سازگاری دارند. با این حال، چگونگی دقیق تصادف و سهم هر جرم در ساخت ماه همچنان از پرسش‌های کلیدی دانشمندان به شمار می‌آید.
ماه امروزی، با ظاهری ساکت و آشنا در آسمان شب، بازتابی از دورانی است که منظومه شمسی محیطی بسیار خشن‌تر داشت. درک منشأ آن نه‌تنها راز شکل‌گیری یک قمر را روشن می‌کند، بلکه به پژوهشگران یاری می‌رساند تا تاریخ اولیه زمین و فرایند شکل‌گیری سیارات سنگی را بهتر درک کنند.