Månen håller jorden på plats

Bilden av månens ursprung och historia håller gradvis på att klarna. Samtidigt söker astronomerna efter spår av den rymdbumling som kolliderade med jorden och slungade ut vår måne. Att månen bildades på det sättet är den hypotes som har blivit mest populär bland astronomerna under de senaste decennierna.

Enligt den hypotesen var det en gigantisk himlakropp som kom farande och krockade med jorden. Förmodligen ett planetembryo ungefär lika stort som planeten Mars. Embryot brukar kallas Theia.

Himlakroppen måste ha varit tillräckligt stor för att skapa en så stor måne. Våra närmaste grannar i rymden har ingenting som liknar vår måne. Mars har ett par små knöliga följeslagare, förmodligen infångade asteroider. Venus har ingen måne alls. Tittar vi längre bort finns stora månar kring jätteplaneterna, men jämfört med sina planeter är de väldigt små. Sammanlagt kretsar cirka 150 månar kring sex av de stora planeterna i solsystemet. Även dvärgplaneten Pluto har fem månar.

Kollisionen med Theia är den hittills bästa förklaringen till många av månens egenskaper. Andra förslag är svåra att få att stämma med månens storlek och bana. Till exempel idén om att månen skulle ha bildats någon annanstans i solsystemet och sedan fångats in av jordens gravitation. Det anses osannolikt att en så stor kropp skulle kunna komma tillräckligt nära jorden och samtidigt röra sig så långsamt att den gick att fånga in i omloppsbana.

Theia-scenariot passar bra in i den nuvarande förståelsen av hur det tidiga solsystemet utvecklades. När solen bildades omgavs den av en skiva av gas och stoft. I takt med att skivan svalnade började materialet samlas i allt större klumpar, som blev embryon till planeter. Dessa kolliderade med varandra och bildade allt större kroppar, och så småningom började planeterna ta form.

Hela processen gick våldsamt till, och riktigt katastrofala kollisioner måste ha inträffat många gånger. Kollisionen som bildade månen bör dock ha varit den sista av de riktigt stora krockarna som drabbade vår jord. Efteråt var den en färdig planet.

– Frågan om hur månen har uppstått är intressant på flera sätt, för den säger något om hur det går till när planeter bildas och hur snabbt det går, säger astronomen Anders Johansen vid Lunds universitet.

Han beskriver hur olika forskargrupper ställer upp datorexperiment för att utforska möjligheterna. Det finns nämligen problem i alla förklaringsförsök och modeller. Astronomerna söker svar på när kollisionen inträffade, varifrån i solsystemet som Theia kan ha kommit, och var resterna av den befinner sig nu.

När bildades månen egentligen? De flesta försök att hitta någon form av naturlig klocka bygger på mätningar av de olika radioaktiva ämnen som finns kvar i jorden. De radioaktiva ämnena sönderfaller i olika takt och deras respektive halter kan tala om när den stora kollisionen med Theia inträffade. En komplikation består i att det tog lång tid för jorden att bildas, med många kollisioner på vägen. Det är också oklart hur materialet blandades vid varje stor kollision, och hur mycket som kom tidigt respektive sent i jordens historia.

Forskarna är inte överens – en del hävdar att den sista jättekrocken inträffade 30 miljoner år efter solsystemets tillblivelse för 4,5 miljarder år sedan – enligt andra kan det ha hänt tidigast efter 50 miljoner år. Detta fick stöd nyligen från en internationell forskargrupp som uppskattar tidpunkten för kollisionen med Theia till 95 miljoner år efter att solsystemet bildades.

Gruppen tillämpade ett nytt grepp för att ta sig an frågan. Istället för att studera de radioaktiva sönderfallsprodukterna, tog forskarna reda på hur mycket material som har fallit ner på jorden i form av mindre meteoritnedslag efter den sista stora kollisionen. Då bör jordens kärna ha stelnat och allt nytt material som föll mot jordklotet stannade kvar i de yttre lagren, alltså i jordskorpan och manteln. Det gällde även de tunga ämnen, som iridium och platina, som tidigare tenderade att sjunka ner genom den flytande kärnan i jordens inre. Ju tidigare i jordens historia som Theia-krocken inträffade, desto mer av det nedfallna meteoritmaterialet borde finnas i de ytliga skikten av jordklotet. När forskarna kombinerade mätningar av halten av dessa ämnen med sina datorsimuleringar fick de alltså fram att krocken med Theia skedde troligast 95 miljoner år efter det att solsystemet bildades. Månen skulle alltså ha skapats för omkring 4,4 miljarder år sedan.

Vart tog då Theia vägen efter att den brakat in i den unga jorden? De flesta modeller av hur kollisionen gick till visar att månen till största delen borde bestå av material från Theia och inte från jorden. Oftast går det att bestämma varifrån rymdmaterial härstammar. Rymdkroppar som har bildats på olika ställen i solsystemet har tydligt olika sammansättning av de olika varianterna av vanliga grundämnen, så kallade isotoper. Genom att mäta isotophalten brukar man till exempel kunna avgöra varifrån i rymden som meteoriterna har kommit när vi hittar dem här på jorden. Om månen skapades av material som kom utifrån solsystemet borde detta alltså gå att se genom att isotophalterna av exempelvis syre skiljer sig åt på jorden och månen.

– Det största problemet med Theia-hypotesen är att jorden och månen är så lika. Det är svårt att ens hitta två asteroider långt ute i asteroidbältet i solsystemets utkanter som är så lika till sin sammansättning som jorden och månen, säger Anders Johansen.

Vid första anblicken är de förstås ganska olika. Jorden har atmosfär och hav, månen är torr och steril. Trots att den saknar de lätta och flyktiga ämnena har månen lägre densitet än jorden med sin stora och tunga metallkärna. Men när forskarna har tittat närmare på materialen på jordens och månens yta har de trots de synbara olikheterna hittat märkvärdigt lika proportioner av isotoperna av de olika grundämnena.

Men nyligen, för första gången, visade nya analyser av månstenar en tydlig om än liten skillnad i mängden av en viss syreisotop jämfört med jorden. Det intressanta med detta är att det kan tolkas som spår av Theia, vilka hittills har undgått upptäckt.

Men att göra entydiga tolkningar är inte så lätt. Skillnaden mellan isotoperna kan också härröra från mer sentida bombardemang av meteoriter som har påverkat både månen och jorden. Det finns alltså fortfarande problem med att spåra Theia.

Andra astronomer har lagt fram modeller för hur Theia kan ha strukit genom den yttersta delen av jordklotet och slitit loss materialet som bildade månen, men själv försvunnit relativt oskadd vidare ut i solsystemet. Vart den i så fall tog vägen har förblivit en gåta.

– Om några år har astronomer kanske upptäckt månar som kretsar kring planeter på andra platser i rymden. Då får vi veta om vår måne är helt unik eller om det finns många planeter som håller sig med så stora månar. Det finns också chans att få reda på hur det går till på andra håll i rymden där stjärnsystem håller på att bildas med sina tillhörande planeter och deras månar.

Sådana observationer kan även säga något om villkoren för liv i universum.

– Det är inte bara av en slump som vi lever på en planet med en så stor måne, säger Anders Johansen. Till exempel bidrar månen till att jordaxeln inte ändrar sig mer och oftare. Om jordaxelns lutning varierade kraftigare skulle livet på jorden hotas av bland annat fler och längre istider.

Vi kan jämföra med Mars, som vinglar mycket mer. Mars rotationsaxel varierar kaotiskt och skiftar tiotals grader, medan jordens axel ändrar sin lutning regelbundet, med en period på 41 000 år, och med mindre än två grader.

I mänskliga tidsskalor är tidvattnet annars den effekt av månens tyngdkraft som vi märker mest av här på jordens yta. Det skapar en speciell och viktig livsmiljö, som också har haft stor betydelse för livets utveckling, berättar Stefan Bengtson, professor i paleozoologi vid Naturhistoriska riksmuseet i Stockholm.

– Den omväxlande miljö som finns i tidvattenzonerna påverkar evolutionen. De flesta evolutionära nybildningar sker i grundare hav, och tidvattenzonen är en krävande och varierande miljö som stimulerar experimentella livsformer till att utvecklas.

Däremot ger Stefan Bengtson inte mycket för tanken att miljön som skapades av tidvattnet var förutsättningen för livets uppkomst här på jorden.

– Det är rätt osäkra spekulationer. Vi vet ingenting om var på jorden livet uppstod, om det var i grunda vatten, i vulkaniska områden i djuphavet eller någon annanstans.

Långt senare hade dock tidvattnet betydelse för att nya livsformer skulle ta steget upp på land.

– Tidvattenzonerna är en omgivning som i sig själva varierar mellan marin miljö och land, säger Stefan Bengtson. Det finns också belägg för att tidiga fyrfotadjur – i princip fiskar som kan krypa – har hållit till i tidvattenzoner.

Tidvattenzonerna bör också ha varit större förr då tidvattnet var starkare. I dag befinner sig månen så långt bort att trettio jordklot skulle få plats mellan den och oss. Men i jordens barndom var avståndet bara en tiondel så stort och kloten slet mycket starkare i varandra.

Det är tidvattenkrafterna som är orsaken både till att månen avlägsnar sig och att den numera har en bunden rotation så att vi alltid ser samma sida av den. Det beror på att jorden och månen inte är helt stela och blir lite deformerade av varandras dragningskraft när de kretsar kring varandra. Det regelbundna buktandet ger upphov till friktion inuti både jorden och månen, vilket stjäl energi från rotationen och får den att sakta in. Så småningom har månen bromsats in så att den nu vrider sig ett varv kring sin egen axel på ett varv kring jorden, och alltså hela tiden vänder samma sida mot oss.

Eftersom jorden snurrar runt sin axel mycket fortare än månen kretsar kring jorden dras högvattnet med i rotationen. Det gör att den delen som buktar ut ligger lite före månen i dess bana. Jordens dragningskraft är då en liten aning starkare på den sidan och hjälper till att liksom dra månen framåt. Det är därför månen hela tiden får lite extra energi och driver allt längre bort från jorden, samtidigt som dygnet här på jorden långsamt blir längre och längre.

Just nu är takten sådan att månen varje år driver några få centimeter i väg från oss, samtidigt som vårt dygn förlängs med några miljondels sekunder.

Att dygnet på jorden har varit mycket kortare förr går att se bland annat i fossil av koraller som påverkas i sin tillväxt av både dagens och årets rytm. Koraller har mönster ungefär som trädens årsringar, men också dagringar. På så vis vet vi till exempel att det för 370 miljoner år sedan gick nära 400 dygn på ett år.

En annan av månens gåtor är att den inte är helt rund. Hela månen är också lite skev; tyngdpunkten ligger inte där man skulle förvänta sig utifrån den yttre formen.

Baksidan, den som vi inte ser från jorden, är ett kraterärrigt högland. Framsidan domineras av stora släta områden som brukar kallas hav, och som för oss ser ut som gubben i månen.

Haven är resultat av stora nedslag. De inträffade efter att månens yta hade bildats men medan den fortfarande hade en mjuk mantel och var vulkaniskt aktiv. Några riktigt stora meteoritnedslag gröpte ur kratrarna och kastade i väg en del av materialet. Så fylldes håligheterna med magma som flöt ut från månens inre och bildade de mörka släta haven.

De stora nedslagsärren gör det svårare att urskilja vad månen hade för form från början. Men nya analyser visar att de stora dragen i månens form kan förklaras av tidvattenkrafterna. När månens skorpa bildades blev den tjockare på mitten än vid polerna så att klotformen blev lite tillplattad.

Dessutom har månen buktat ut lite extra längs med riktningen mot jorden. Denna tidvattenbula tycks ha stelnat under en tid då månen befann sig bara halvvägs bort från jorden jämfört med i dag. Men även efter att den infrysta tidvattenbulan bildades har både månens form och rotationen fortsatt att påverkas, dels utifrån av stora meteoritnedslag, dels inifrån av vulkanisk aktivitet. Månpolerna befinner sig inte heller längre där de en gång var.

Riktigt alla detaljer i månens form är inte utredda ännu. En idé som har framförts är att det material som kastades ut vid Theias kollision med jorden först bildade flera månar, som senare krockade med varandra igen efter att delvis ha stelnat.

Det fattas alltså fortfarande en del bitar i pusslet om månens ursprung och utveckling, även om bilden i stort börjar framträda. Så småningom blev månen stel och kall, och i dag ger den oss en frusen bild av de meteoritsvärmar som måste ha bombarderat jorden i en tidigare era i vår del av planetsystemet. Jordens geologi stöper hela tiden om och förändrar jordskorpans utseende, men när du tittar upp mot mångubbens förvånade uppsyn ser du en yta som i stort sett har varit oförändrad i tre miljarder år.

Meteoriterna avslöjar åldern

För att ta reda på när månen bildades kan man uppskatta antalet meteoriter som fallit ner på jorden efter den sista stora kollisionen med Theia. Vid den tidpunkten bör jordens kärna ha stelnat och allt nytt material som fallit ner sedan dess har därför stannat kvar i de yttre lagren av jordskorpan. Så ju tidigare i jordens historia som Theia-krocken inträffade, desto mer av det nedfallna meteoritmaterialet bör finnas i jordklotets ytligaste skikt.