La Luna è nata dal mantello terrestre?

formazione della Luna

Immagine 1 – Scontro planetario – Rappresentazione artistica dell’impatto gigantesco che ha creato la Luna. Una nuova ricerca suggerisce che l’impatto è stato ancora più violento di quanto ipotizzato fino ad ora dai ricercatori. (Illustrazione: Dana Berry/SwRI)

Recentemente un gruppo di ricercatori ha scoperto delle piccole differenze nella separazione degli isotopi di potassio delle rocce lunari e terrestri. Tali difformità sono risultate indistinguibili fino a poco tempo fa a causa dei limiti di rilevazione delle tecniche di analisi chimica. Nel 2015 il team composto dal dott. Kun Wang geochimico presso la Washington University in St. Louis e dal dott. Stein Jacobsen prof. di geochimica all’Università di Harvard ha sviluppato una tecnica per analizzare tali isotopi con un’accuratezza 10 volte superiore rispetto ai metodi utilizzati precedentemente.

I due ricercatori hanno documentato delle differenze isotopiche tra le rocce lunari e quelle terrestri, si tratta della prima prova sperimentale che potrebbe far chiarezza sull’origine della Luna. Attualmente i modelli presi in considerazione dai ricercatori sono due.

Nel primo modello gli scienziati ritengono che un impatto a bassa energia tra la prototerra (ossia la Terra alle origini) e la Luna abbia provocato la formazione di un’atmosfera composta da silicati. Nel secondo modello un impatto molto più violento tra la prototerra e un un corpo celeste ha letteralmente “vaporizzato” sia l’oggetto sia la maggior parte della prototerra; l’impatto avrebbe prodotto un enorme disco superfluido da cui alla fine si sarebbe cristallizzata la Luna.

Lo studio isotopico, che supporta il modello ad alta energia, è stato pubblicato nell’edizione online di Nature del 12 Settembre 2016. «I nostri risultati forniscono la prima prova tangibile che l’impatto ha davvero fatto vaporizzare (in gran parte) la Terra» scrive il dott. Wang, prof. di scienze planetarie e della Terra presso la Washington University in St. Louis.

Immagine 2 - Due recenti modelli sulla formazione della Luna, uno permette lo scambio di materiale attraverso un'atmosfera di silicati (in alto) e un altro che crea una sfera attraverso fluidi supercritici (in basso), portano a diverse previsioni per quanto riguarda i rapporti isotopici di potassio presenti nelle rocce lunari e terrestri (a destra). (Illustrazione: Kun Wang)

Immagine 2 – Due recenti modelli sulla formazione della Luna, uno permette lo scambio di materiale attraverso un’atmosfera di silicati (in alto) e un altro che crea una sfera attraverso fluidi supercritici (in basso), portano a diverse previsioni per quanto riguarda i rapporti isotopici di potassio presenti nelle rocce lunari e terrestri (a destra). (Illustrazione: Kun Wang)

Una crisi isotopica
Durante i primi anni ’70, due gruppi di astrofisici indipendenti avanzarono l’ipotesi che la Luna si sia formata da una collisione tra un corpo celeste di dimensioni simili a quelle di Marte e la prototerra. L’ipotesi dell’impatto gigante, che spiega molte delle osservazioni che sono state eseguite, come ad esempio le grandi dimensioni della Luna rispetto alla Terra e le velocità di rotazione della Terra e della Luna, alla fine è diventata l’ipotesi principale in merito all’origine della Luna.

Tuttavia, nel 2001 un team di scienziati effettuò uno studio riguardante le composizioni isotopiche di una varietà di elementi presenti nelle rocce della Terra e del nostro satellite naturale, i risultati sembravano indicare dei valori quasi identici di tali composizioni isotopiche. Le analisi effettuate sui campioni portati indietro dagli equipaggi dalle missioni Apollo degli anni ‘70 mostrarono che la Luna possedeva la stesse abbondanze di tre isotopi stabili di ossigeno come la terra. I modelli matematici per simulare l’impatto hanno previsto che la maggior parte del materiale (tra il 60 e l’80%) che si è fuso nella Luna proveniva dal corpo celeste piuttosto che dalla Terra. Generalmente i corpi celesti che si formano in diverse parti del sistema solare hanno composizioni isotopiche differenti, in questo modo le firme isotopiche servono come una sorta di “impronte digitali” per pianeti e meteoriti che provengono dallo stesso corpo.

La probabilità che il corpo celeste che si scontrò con la prototerra potesse avere la stessa firma isotopica come la Terra era infinitamente piccola.

In questo modo l’ipotesi dell’impatto gigante aveva un grave problema. Era possibile abbinare molte caratteristiche fisiche del sistema Terra-Luna, ma non le loro caratteristiche geochimiche. Gli studi sulla composizione isotopica avevano quindi creato una sorta di “crisi isotopica”.

In un primo momento, gli scienziati ritennero che misurazioni più accurate avrebbero potuto risolvere tale crisi. Ma alla fine le misurazioni più accurate degli isotopi di ossigeno pubblicate nel 2016 hanno soltanto confermato che le composizioni isotopiche non sono distinguibili.

Che cosa fare quindi?
«Queste sono le misurazioni più precise che siamo in grado di effettuare, e sono ancora identiche alle precedenti» scrive Wang.

«Così è stato deciso di modificare l’ipotesi del gigantesco impatto. L’obiettivo era quello di trovare un modo per capire se il materiale di cui è composta la Luna provenisse per lo più dalla Terra, piuttosto che dal corpo celeste che si è scontrato con il nostro pianeta. Ci sono molti nuovi modelli ma soltanto due sono tenuti maggiormente in considerazione dalla comunità scientifica».

Nel modello originale (l’impatto gigante tra un corpo celeste e la prototerra) l’impatto riesce a fondere una parte della Terra insieme all’intero corpo celeste scagliando parte del materiale fuso verso l’esterno.

Un modello proposto nel 2007 aggiunge al modello originale un’atmosfera composta da vapore di silicati intorno alla Terra e al disco lunare. Secondo tale ipotesi il vapore di silicati avrebbe consentito tra la terra e il disco attorno al protopianeta lo scambio di materiale che si sarebbe condensato diventando la Luna che tutti conosciamo.

«Alcuni ricercatori cercano di spiegare le somiglianze isotopiche tramite l’aggiunta di questa atmosfera. Tuttavia il punto di vista adottato da questi scienziati parte ancora da un impatto a bassa energia come il modello originale» scrive Wang.

Il ricercatore sostiene infatti che lo scambio di materiale attraverso un’atmosfera richiede un processo molto lungo e nel caso della formazione della Luna il periodo di tempo è stato breve.

In caso contrario la condensazione del materiale che ha dato luogo alla formazione della Luna non avrebbe avuto luogo poiché il materiale sarebbe ricaduto sulla superficie terrestre. Per tale motivo nel 2015 i ricercatori hanno proposto un nuovo modello che ipotizza un impatto estremamente violento, così violento da far fondere insieme il protopianeta e il mantello terrestre e formare un’atmosfera composta dal mantello terrestre che si sarebbe espansa verso lo spazio per coprire un’area grande 500 volte l’attuale Terra. La Luna si sarebbe formata nel momento in cui questa atmosfera ha iniziato il processo di raffreddamento.

La natura di questa atmosfera spiegherebbe le composizioni isotopiche identiche tra la Terra e la Luna scrive Wang. A seguito dell’impatto l’atmosfera del mantello era un “fluido supercritico” senza distinzioni tra la fase liquida e quella gassosa. I fluidi supercritici possono fluire attraverso i solidi come se fossero gas e sciogliere materiali come un liquido.

Perché il potassio è decisivo
Lo studio pubblicato su Nature riporta un’elevata accuratezza per i dati isotopici del potassio riguardanti un campione rappresentativo delle rocce lunari e terrestri. Il potassio ha tre isotopi stabili, ma solo due di questi isotopi, il potassio-41 e il potassio-39, sono abbastanza abbondanti da essere misurati con un’accuratezza sufficiente per questo studio.

Wang e Jacobsen hanno esaminato sette campioni di roccia lunare provenienti da diverse missioni lunari e hanno effettuato la comparazione delle concentrazioni isotopiche di potassio con quelle relative a 8 campioni rappresentativi di rocce terrestri provenienti dal mantello terrestre. I ricercatori hanno scoperto che le rocce lunari sono state arricchite dall’isotopo più pesante di potassio (potassio-41) per un valore di circa 0,4 parti per mille.

L’unico processo ad alta temperatura in grado di separare gli isotopi di potassio in questo modo è la condensazione incompleta del potassio (i materiali si trovavano allo stato gassoso) durante la formazione della Luna. Rispetto all’isotopo più leggero, l’isotopo più pesante dovrebbe precipitare e condensare.

I calcoli mostrano, tuttavia, che se questo processo è avvenuto in un vuoto assoluto, ciò porterebbe ad un arricchimento degli isotopi di potassio pesanti nei campioni lunari di circa 100 parti per mille, un valore molto superiore rispetto a quello rilevato da Wang e Jacobsen. Ma, secondo Wang, una pressione più elevata annullerebbe il frazionamento. Per questo motivo, Wang e il suo collega sostengono che la condensazione dei materiali lunari sia avvenuta ad un livello di pressione di oltre 10 bar (o circa 10 volte la pressione atmosferica a livello del mare sulla Terra).

I ricercatori hanno scoperto che le rocce lunari sono arricchite dall’isotopo più pesante di potassio, questo elemento non va a favore del modello che prevede la formazione della Luna per via di un’atmosfera di silicati: infatti secondo tale modello le rocce lunari dovrebbero avere una quantità inferiore dell’isotopo più pesante rispetto alle rocce terrestri, praticamente l’opposto di ciò che gli scienziati hanno scoperto.

Quello che invece è supportato è proprio il modello di atmosfera prodotta dalla fusione del mantello terrestre, questo modello prevede che le rocce lunari contengano una quantità superiore dell’isotopo più pesante rispetto alle rocce terrestri.

Silenziosi per miliardi di anni, gli isotopi di potassio hanno finalmente trovato una voce e hanno una storia da raccontare.

Riferimento:
Kun Wang et al, Potassium isotopic evidence for a high-energy giant impact origin of the Moon, Nature (2016). DOI: 10.1038/nature19341

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La Luna è nata dal mantello terrestre? ultima modifica: 2016-09-23T19:51:59+00:00 da Richard
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Richard

Noi siamo l'incarnazione locale di un Cosmo cresciuto fino all'autocoscienza. Abbiamo incominciato a comprendere la nostra origine: siamo materia stellare che medita sulle stelle. (Carl Sagan)