Výzkumníci z Southwest Research Institute a University of Arizona vytvořili pokročilejší modely této dávné kolize a zjistili, že výsledek mohl vypadat výrazně jinak, než se dlouho předpokládalo. V některých simulacích totiž Měsíc nevznikal postupně z obrovského oblaku úlomků obíhajících kolem Země. Namísto toho se zrodil překvapivě rychle. A podle některých scénářů mohl být během pouhých několika hodin po nárazu již do značné míry vytvořený a téměř neporušený.

Výsledky studie byly publikovány v časopise The Astrophysical Journal Letters a mohou přinést nový pohled nejen na samotný vznik Měsíce, ale také na otázku, kdy k obrovské srážce vlastně došlo.

Srážka, která dala Zemi Měsíc

Nejrozšířenějším vysvětlením vzniku Měsíce je takzvaná hypotéza obřího impaktu. Podle ní se mladá Země před miliardami let srazila s jiným protoplanetárním tělesem přibližně o velikosti dnešního Marsu. Toto těleso dostalo jméno Theia.

V době, kdy ke srážce došlo, však Sluneční soustava vypadala úplně jinak než dnes. Planety teprve vznikaly, jejich dráhy nebyly dokonale ustálené a kolem mladého Slunce se stále pohybovalo velké množství materiálu. Srážky mezi rodícími se planetami proto nebyly ničím neobvyklým.

Theia nakonec narazila do mladé Země s obrovskou energií. Náraz byl natolik ničivý, že roztavil a odpařil značné množství hornin z obou těles. Materiál vyvržený do okolního prostoru následně vytvořil disk obíhající kolem Země, ze kterého se měl postupně zformovat Měsíc.

To je scénář, jenž se stal základem moderní představy o vzniku našeho jediného přirozeného satelitu. Jedním z důležitých kroků na této cestě byla studie z roku 2001, jejímž spoluautory byli Robin Canup ze Southwest Research Institute a Erik Asphaug z Lunar and Planetary Laboratory.

Pozdější počítačové modely tuto představu dále rozvíjely. Přesto měly společný předpoklad, který nyní nový výzkum zpochybňuje.

Při tak extrémně energetické srážce se totiž vědci dlouho domnívali, že pevnost hornin není příliš důležitá. Pokud jsou obrovská množství materiálu roztavena nebo dokonce odpařena, může se podle tohoto předpokladu celá planeta při simulaci zjednodušit na něco, co se chová spíše jako kapalina. A tam může být zakopaný pes.

Horniny nejsou jen kapalina

Nový výzkum vedený Adeene Denton se zaměřil na vlastnost, kterou předchozí modely do podobných simulací většinou nezahrnovaly: skutečnou mechanickou pevnost materiálu.

Není to žádná drobnost, ve skutečnosti jde o zásadní rozdíl. Horniny, kovy a další materiály se totiž při extrémních podmínkách nechovají vždy stejně. Jejich schopnost odolávat deformaci závisí mimo jiné na teplotě. A teplota mladé Země a Theie mohla být při obří srážce velmi důležitá.

Denton použila pokročilejší variantu metody známé jako smoothed particle hydrodynamics, zkráceně SPH. Jde o počítačovou metodu, která umožňuje simulovat chování planetárních těles při velmi dynamických procesech, například při obřích kolizích.

V nové verzi modelu však materiál není jednoduše považován za beztvarou kapalinu. Simulace počítá také s tím, že skutečné geologické materiály mají určitou pevnost a mohou odolávat deformaci.

Model byl vyvinut na University of Arizona a University of Bern ve Švýcarsku. Umožňuje simulovaným planetárním tělesům reagovat způsobem, který více odpovídá skutečným horninám a kovům, z nichž byly mladá Země a Theia pravděpodobně složeny. A tehdy se začal obraz vzniku Měsíce měnit.

Zdroj: Shutterstock

Teplota mohla rozhodnout o podobě Měsíce

Obecně platí, že teplejší horniny jsou slabší než horniny chladnější. Pro planetární tělesa to znamená, že jejich vnitřní teplotní stav může ovlivnit způsob, jakým se při obrovské srážce deformují, rozpadají a vzájemně promíchávají.

Mladé protoplanety přitom nebyly studené a pevné světy, jak je známe dnes. Vznikaly z postupně se shlukujícího materiálu a v jejich nitru probíhaly procesy spojené s obrovským množstvím uvolněného tepla. Jak planetární těleso stárne, postupně chladne, což zároveň otevírá zajímavou možnost. Pokud dokážeme zjistit, jak teplé byly Země a Theia v okamžiku srážky, můžeme posléze lépe pochopit, jakým způsobem Měsíc vznikl.

V některých simulacích byla Theia nárazem prakticky zničena. Její materiál se společně s materiálem Země rozptýlil do prostoru a vytvořil rozsáhlý disk kolem planety. Z tohoto disku se potom Měsíc formoval postupně. Jiné podmínky však vedly k úplně jinému výsledku. V těchto simulacích se Měsíc objevil téměř jako hotové těleso už několik hodin po samotném nárazu.

Měsíc mohl být na obloze téměř okamžitě

Když vědci použili stejné základní parametry jako v původních modelech obří srážky a současně zohlednili teplotní strukturu obou těles i jejich materiálovou pevnost, simulace ukázaly, že se během přibližně pěti hodin může objevit téměř neporušený Měsíc.

Neznamená to, že se Měsíc v tehdejším vesmíru jednoduše vynořil během pěti hodin. Je to jen výsledek počítačového modelu konkrétního scénáře a proto jeho interpretace vyžaduje opatrnost. Ovšem naznačuje se, že samotná kolize nemusela nutně skončit pouze obřím diskem úlomků, ze kterého by se tato přírodní družice skládala postupně a později.

Měsíc mohl být v některých případech vytvořen přímo v důsledku srážky a krátce po ní už mohl obíhat Zemi jako relativně kompaktní těleso.

Podobné simulace, ve kterých po obří srážce vznikne do značné míry neporušený Měsíc, se objevily už dříve. Tato konkrétní studie je však významná tím, že ukazuje, jak zásadní roli při tom mohou hrát teplota a mechanická pevnost materiálu.

Dříve se hovořilo o tom, že při tak obrovské kolizi tyto vlastnosti prakticky zaniknou pod vlivem extrémní energie. Nové výpočty ale naznačují, že tomu tak být nemusí.

Proč na tom záleží i dnes

Na první pohled může působit rozdíl mezi různými interpretacemi vzniku Měsíce jako čistě technická a nedůležitá otázka. Ve skutečnosti ale způsob vzniku ovlivňuje to, jak bychom měli chápat následný vývoj celého systému Země a Měsíce.

Pokud se totiž Měsíc vytvořil za určitých teplotních a mechanických podmínek přímo při kolizi, mohl si z tohoto období zachovat určité vlastnosti. Ty by dnes mohly být patrné například v jeho chemickém složení nebo v množství těkavých látek, které se za relativně nízkých teplot snadno odpařují.

Robin Canup, který se na nové studii nepodílel, upozornil, že výsledky mohou naznačovat spojení mezi současnými fyzikálními vlastnostmi Měsíce a tepelným stavem Země a Theie v době obřího impaktu.

Z toho pak vyvstává ještě další otázka, a to kdy k té srážce vlastně přesně došlo.

Pokud totiž vědci dokážou propojit současné vlastnosti Měsíce s teplotou a stavem Země a Theie v okamžiku nárazu, může se tím postupně zpřesňovat časová osa vzniku našeho přirozeného satelitu.

Tajemství podobnosti Země a Měsíce zůstává

Nové simulace však v žádném případě nevyřešily jeden z největších problémů spojených s původem Měsíce. Země a Měsíc jsou si totiž z hlediska složení nápadně podobné.

To je do určité míry působivé. Pokud byla Theia skutečně samostatným planetárním tělesem, které se pohybovalo kolem mladého Slunce a následně narazilo do Země, člověk by mohl očekávat, že Měsíc bude obsahovat výrazně větší množství materiálu pocházejícího právě z Theie. Ovšem pozorování a analýzy vzorků ukazují pravý opak, kdy Země a Měsíc mají v mnoha ohledech velmi podobné složení.

Právě to je jeden z důvodů, proč se vědci otázkou původu Měsíce zabývají i dnes. Samotná hypotéza obřího impaktu sice dokáže vysvětlit řadu vlastností systému Země s Měsícem, ale zároveň musí vysvětlit, proč jsou si oba světy chemicky tak blízké.

Jednou z možností je, že Theia a mladá Země vznikly v podobné části Sluneční soustavy a z podobného materiálu. Pokud tomu tak bylo, nemuselo být jejich složení od začátku výrazně odlišné.

Denton přirovnává jejich vztah k sourozencům. Země a Mars vznikaly ve stejné obecné oblasti mladé Sluneční soustavy, a lze je proto v určitém smyslu považovat za planetární sourozence. Země a Měsíc jsou však podle ní spíše jako dvojčata, která nejsou zcela identická.

Mars má přitom odlišné složení než Země i Měsíc, což naznačuje, že vznikal v jiné části protoplanetárního prostředí nebo za odlišných podmínek.