راز بزرگ یگانه قمر زمین؛ ماه از کجا آمد؟

ماه را باید یکی از تاثیرگذارترین پدیده‌ها در تکامل حیات بر روی زمین دانست. اگر ماه نبود، قطعا حیات به شکلی که امروز روی زمین می‌بینیم وجود نداشت. ماه در اسطوره‌های انسان‌، داستان‌ها، اشعار و به طور کلی زندگی او نمود بارزی دارد. ماه جرمی بسیار اسرارآمیز است، هرچند که نزدیک‌ترین جرم آسمانی به ماست، ولی درباره‌ی آن اطلاعات خیلی زیادی نداریم. ماه نه خیلی دور است و نه خیلی نزدیک. از آغاز عصر فضا، فضاپیماهای بی‌سرنشین زیادی به مدار یا سطح آن فرستادیم. در سال ۱۹۶۹ فضاپیمای آپولو ۱۱ بر روی آن فرود آمد و برای نخستین بار دو انسان پای بر سطحش گذاشتند. به لطف این ماموریت‌ها و نیز فضاپیماهای بی‌سرنشینی که به ملاقات ماه رفته‌اند، اکنون دانش ما از ماه زیاد شده است. با این حال دانشمندان هنوز درگیر پاسخ دادن به یک پرسش اساسی هستند. ماه از کجا آمده است؟ آیا ماه قطعه‌ای از زمین بوده و به ناگهان مثل تکه‌ای از پنیر کنده شده و در مدار این سیاره قرار گرفته؟ آیا جرمی سرگردان در منظومه‌ی شمسی بوده که جاذبه‌ی زمین آن را به دام خود انداخته؟ شاید هم از اول پیدایش زمین، با آن همراه بوده است.

هرچند که اجداد ما نمی‌توانستند به ماه سفر کنند، ولی هیچ‌گاه از فکر کردن به آن و نظریه پردازی دست برنداشتند. احتمالا بزرگترین خدمت به افزایش دانسته‌های ما از ماه را گالیلیو گالیله‌ انجام داد. گالیله که فیزیکدان و فیلسوفی ایتالیایی بود، توانست تلسکوپی بسازد که بتواند با آن به ماه بنگرد. او جزئیات بی‌نظیری از ماه را مشاهده کرد، جزئیاتی که پیشتر هیچ انسانی آن‌ها را ندیده بود. در اوایل سال ۱۶۰۰ میلادی، گالیله نشان داد که ماه نیز دارای چشم‌اندازهایی شبیه‌ به زمین است. دست کم از آن دست چشم‌اندازهای بیابانی و کوهستانی زمین که می‌توانیم در قسمت‌های عمده‌ای از خشکی‌ها مشاهده کنیم. او نشان داد که ماه نیز دارای سطح سنگی پوشیده شده از دشت‌ها و کوهستان‌های فراوان است. این اولین نشانه‌ای بود که باعث شد دانشمندان فکر کنند زمین و ماه همراه با یکدیگر شکل گرفته‌اند.

گالیله نشان داد که سطح ماه مثل زمین، پوشیده از دشت‌ها و کوهستان‌های فراوان است. این اولین نشانه برای این بود که دانشمندان فکر کنند زمین و ماه همراه با یکدیگر بوجود آمده‌اند

در سال ۱۸۰۰ میلادی، پسر چارلز داروین، به نام جورج داروین، نظریه‌ی جالبی داد. [چارلز داروین زیست‌شناسی مشهور است که برای نخستین بار نظریه‌ی تکامل و انتخاب طبیعی را داد.] ایده‌ی جورج داروین این بود که احتمالا وقتی زمین خیلی جوان بوده، مثل فرفره، با سرعت زیاد حول محور خودش گردش می‌کرده است. این چرخش سریع باعث شده که قسمتی از سطح آن کنده شود و به فضا برود. آن تکه‌ی جدا شده از زمین، همان ماه است. جورج گفت که شاید اقیانوس آرام، آن گودی بزرگی باشد که بر اثر کنده شدن ماه از زمین ایجاد شده است. نظریه‌ی جورج داروین در زمان خودش تا حد زیادی مورد توجه قرار گرفت. با این حال در سال‌های پس از آن،‌ نظریات مختلف دیگری داده شد. مثلا شیمی‌دانی به نام «هارلد اوری» (Harold Urey) پیشنهاد کرد که ممکن است ماه از مکان دیگری از کهکشان آمده و به دام گرانش زمین افتاده باشد. نظریه‌ی اوری،‌ تا حد زیادی درست به نظر می‌آمد، چرا که اندازه‌ی ماه نسبت به زمین خیلی بزرگ است (حدود یک-چهارم زمین) و دست کم در نگاه اول به نظر نمی‌رسد قمری به این بزرگی، از زمین بوجود آمده باشد. بعلاوه‌ی اینکه ماه نسبت به زمین در حالت قفل مداری قرار دارد. یعنی اینکه ما از زمین همیشه فقط می‌توانیم یک سمت ماه را ببینیم. معمولا وقتی یک جرم سرگردان فضایی در دام گرانش یک سیاره می‌افتد چنین اتفاقی برای آن پیش می‌آید.

جورج داروین گفت که ماه احتمالا تکه‌ای جدا شده از زمین است. شاید همان قطعه‌ای که اکنون اقیانوس آرام روی آن را پوشانده. هارلد اوری فکر می‌کرد که ماه جرمی سرگردان در منظومه‌ی شمسی بوده که به ناگهان به دام جاذبه‌ی زمین افتاده است.

بسیاری از دانشمندان از نظریه‌ی اوری راضی نبودند. آن‌ها مطمئن نبودند که زمین بدون اینکه مدارش دچار آشفتگی شدید شود، بتواند جرمی به این بزرگی را در دام بیندازد. آن‌ها اعتقاد داشتند که اساسا این اتفاق باید منجر به برخورد بین دو جرم می‌شد. با این حال طرفداران نظریه‌ی اوری، می‌گفتند که اگر اتمسفر زمین در زمان‌های دور خیلی بزرگ و غلیظ بوده،‌ می‌توانسته مثل یک بالش عمل کند. بدین ترتیب نه تنها ضربه‌ی برخورد ماه را جذب می‌کرده، بلکه ماه را به فضا باز می‌گردانده است.

سطح ماه از کوه‌ها، دشت‌ها و دهانه‌های زیادی پوشیده شده است

یکی از نظریه‌هایی که به صورت جدی بررسی شد، این بود که احتمالا ماه و زمین همزمان بوجود آمده‌اند. یعنی زمانی که هیچ کدام از آن‌ها وجود نداشتند و به جای آن‌ها، یک «قرص برافزایشی» قرار داشت. دیسکی پر از مواد اولیه که به سرعت حول محور خودش چرخش می‌کرد و کم‌کم منجر به تشکیل زمین و ماه می‌شد. در این زمان، زمین و ماه می‌توانستند به صورت جداگانه، از به هم پیوستن مواد موجود در این دیسک بوجود آیند. با این حال این نظریه خیلی زود رد شد. این نظریه نمی‌توانست سرعت مشخصی که اکنون ماه به دور زمین می‌چرخد را توضیح بدهد. در ضمن چگالی ماه نصف زمین است، بدین معنی که این دو نمی‌توانسته‌اند از یک دیسک برافزایشی یکسان بوجود آمده باشند.

یک نظریه‌ برای توضیح پیدایش ماه این بود که ماه و زمین به صورت همزمان از مواد اولیه‌ای که به صورت دیسک حول محور خود می‌چرخیدند بوجود آمده است.

بنابراین نظریه‌ی اوری، که می‌گفت ماه جرمی سرگردان بوده و به صورت اتفاقی در دام گرانش این سیاره گرفتار شده، برای سال‌ها دوام آورد و بسیاری از دانشمندان آن را پذیرفته بودند. دهه‌ی ۶۰ میلادی زمانی بود که سازمان فضایی ناسا، تلاش خود را برای فرستادن انسان روی سطح ماه آغاز کرد. در طول پروژه‌های آپولو، ناسا آزمایش‌های زیادی روی ماه انجام داد. اگر حق با نظریه‌ی اوری بود، ماه باید از ترکیبات شیمیایی متفاوت نسبت به آن‌چه بر سطح زمین دیده می‌شود، ساخته می‌شد. برای آزمایش این نظریه،‌ فضانوردان آپولو، همراه خود نمونه‌هایی از سنگ و خاک ماه را به زمین آوردند، اکنون در آزمایشگاه‌های زمینی، این ترکیبات را می‌شد آزمایش کرد.

عکس از سمت ناپیدای ماه. همیشه یک‌سوی ماه از زمین پیداست و این قمر در قفل مداری با زمین قرار دارد

با آزمایش‌هایی که روی سنگ‌ها انجام شد، نخستین نظریه‌ای که باطل شد، نظریه‌ی جورج داروین بود. جورج داروین می‌گفت که احتمالا ماه از زمین کنده شده و در مدار قرار گرفته است. شاید قسمت کنده شده همان‌جایی است که با آب پر شده و اقیانوس آرام را تشکیل داده است. در آزمایش‌ها مشخص شد که سطح ماه از سطح بستر اقیانوس آرام عمر بیشتری دارد. «الکس هالیدی» (Alex Halliday) از دانشگاه آکسفورد می‌گوید: «قدیمی‌ترین سنگ‌ها بر روی ماه، آنورتوزیت‌ها هستند.» از آن‌جا که این ماده‌ی معدنی چگالی کمی دارد، به راحتی روی ماگما شناور می‌شود، بنابراین باید به راحتی روی سطح زمین یافت شود و لازم نباشد که آن را در اعماق زمین جستجو کنیم. از آن‌جا که سطح پوسته‌ی زمین تنها ۲۰۰ میلیون سال عمر دارد،‌ بنابراین سطح زمین نباید منشاء ماه باشد.

نظریه‌ی اوری نیز خیلی زود باطل شد. در کمال تعجب همگان، مشخص شد سنگ‌ و خاک‌ ماه از نظر شیمیایی تقریبا با زمین یکسان است. بنابراین برخلاف آن‌چه اوری گفت،‌ اینکه زمین و ماه در دو مکان کاملا متفاوت شکل گرفته باشند ممکن نیست. در ضمن این اطلاعات نشان داد که ماه تقریبا ۲۹ میلیون سال قدیمی‌تر از اجرام هم‌اندازه‌ی دیگر در منظومه‌ی شمسی است. احتمالا ماه در ابتدا بسیار داغ و سوزان بوده و در ضمن، مکان‌های تاریک‌تر بر روی سطح آن نشان می‌دهد که زمانی با اقیانوسی از ماگما پوشانده شده بوده است.

ماه از نظر ترکیبات شیمیایی شباهت خیلی زیادی با زمین دارد، بنابراین نظریه‌ی هارلد اوری که می‌گفت ماه در قسمت دیگری از منظومه‌ی شمسی شکل گرفته و بعدا در دام گرانش زمین افتاده رد شد.

هر نظریه‌ای که درباره‌ی منشاء ماه داده می‌شود باید با تمام شواهد سازگار باشد. هیچ‌کدام از این نظریه‌ها، پاسخ کافی به پرسش نمی‌داد. بنابراین طبق مقاله‌ای که «جی ملوش» (Jay Melosh) از «دانشگاه پردو» (Perdue University) در ایندیانای آمریکا در سال ۲۰۱۴ نوشته، داده‌هایی که از ماموریت‌های آپولو بدست آمد منجر به سردرگمی بیشتر شد. او می‌گوید: «با ماموریت‌های آپولو، اطلاعات زیادی درباره‌ی ماه بدست آمد. با این حال دانشمندان نتوانستند هیچ نظریه‌ی خوبی درباره‌ی منشاء ماه بدهند.»

جان یانگ، در حال راه رفتن بر روی ماه در ماموریت آپولو ۱۶

در سال ۱۹۷۵، یعنی سه سال پس از آخرین ماموریت آپولو، فرضیه‌ی جدیدی مطرح شد. فرضیه‌ای که با نام «برخورد بزرگ» شناخته شد. در حدود ۴/۵ میلیارد سال پیش،‌ وقتی که منظومه‌ی شمسی تازه در حال شکل گرفتن بود، فضا پر بود از تکه‌ سنگ‌های سرگردان. «ویلیام هارتمن» (William Hartmann) و «دونالد دیویس» (Donald Davis) از انستیتوی علوم سیاره‌ای در توسان آریزونا، می‌‌گویند که احتمالا یکی از همان تکه سنگ‌های سرگردان به زمین برخورد کرد و باعث شد که ماه بوجود آید. این تکه سنگ باید بسیار بزرگ بوده باشد. در حقیقت اساسا تکه سنگ نبوده، بلکه جرمی بوده به اندازه‌ی سیاره‌ی مریخ و یک-دهم زمین جرم داشته است. این سیاره‌ی فرضی که با نام «تیا» (Theia) شناخته می‌شود، احتمالا یک برخورد مماس با زمین داشته است. یعنی برخورد به صورت مستقیم و شاخ به شاخ نبوده و این سیاره از کنار به زمین خورده است. این برخورد باعث شده که قسمتی از ماده‌ی زمین جدا شود و یک توپ مذاب بزرگ را شکل دهد. این توپ آتشین ابتدا آن‌قدر به زمین نزدیک بوده که هر لحظه، یک‌سوم آسمان هر منطقه را می‌پوشانده، سپس کم‌کم سرد و از زمین دور شده است.

بهترین نظریه‌ای که وجود دارد، این است که سیاره‌ای فرضی و کوچک‌تر از زمین به نام «تیا» به زمین برخورد کرده، منجر به جدا شدن قسمتی از آن شده و ماه را ساخته است. این نظریه، «برخورد بزرگ» نام دارد.

این برخورد را با رایانه شبیه‌سازی کرده‌اند و شبیه‌سازی نیز خیلی خوب جواب داده است. این شبیه‌سازی توضیح می‌دهد که چرا هسته‌ی آهنی ماه، نصف زمین است. در حقیقت هسته‌ی آهنی سیاره‌ی تیا،‌ با زمین ترکیب شد و سهم زیادی به ماه نرسید. در ضمن توضیح می‌دهد که چرا ماه عناصر فرار کمی دارد. عناصری که به راحتی به گاز تبدیل و بخار می‌شوند. در حقیقت گرمای اولیه‌ی ناشی از برخورد، باعث شد که این عناصر دود شوند و به هوا بروند. در نهایت، ابعاد نسبی زمین و تیا می‌تواند توضیح بدهد که چرا ماه با این سرعت مشخص به دور زمین گردش می‌کند. هالیدی این فریضه را «بهترین توضیح بد» می‌داند. این فرضیه همچنان یک مشکل بزرگ دارد. همان مشکلی که به نظریه‌ی اوری هم وارد است، زمین و ماه از نظر شیمیایی خیلی به هم شبیه هستند.

یکی از سنگ‌های ماه که فضاپیمای آپولو ۱۵ به زمین آورد

بسیاری از عناصری که در جهان وجود دارند، تفاوت خیلی اندکی دارند و ایزوتوپ هستند. ایزوتوپ‌ها اتم‌های یک نوع عنصر هستند که عدد اتمی یکسان و عدد جرمی متفاوتی دارند. عدد اتمی بیانگر تعداد پروتون‌های هسته‌ی اتم است. بنابراین ایزوتوپ‌های یک عنصر، تعداد پروتون‌های مساوی دارند. اختلاف در جرم اتمی ایزوتوپ‌ها از اختلاف تعداد نوترون‌های موجود در هسته‌ی آن‌ها ناشی می‌شود. ایزوتوپ‌ها مثل اثر انگشت شیمیایی عمل می‌کنند. اگر یک ماده‌ی ناشناخته داشته باشید و به ترکیب ایزوتوپ‌های آن نگاه کنید، می‌توانید بفهمید که آن ماده از کجا آمده است.

یک نقاشی فرضی از سیاره‌ی تیا که در حال نزدیک شدن و برخورد با زمین است

طبق این نظریه، قسمتی از ایزوتوپ‌هایی که بر روی ماه وجود دارد باید شبیه به زمین و قسمتی دیگر شبیه به سیاره‌ی فرضی تیا باشد. به هر صورت بر اثر برخورد، قسمتی از ماده‌ی زمین و قسمتی از ماده‌ی تیا باید در شکل‌گیری ماه نقش داشته باشد. ولی حقیقت این است که ترکیب ایزوتوپی ماه تقریبا فقط شبیه به زمین است. سوال این است که چرا سیاره‌ی تیا نتوانسته اثری از خود بر روی ماه باقی بگذارد. این یکی از بزرگترین مشکلات فرضیه‌ی «برخورد بزرگ» است.

زمین و ماه جوان، هر دو بسیار داغ بودند

یکی از توضیحات بسیار ساده این است که به صورت خیلی اتفاقی،‌ ایزوتوپ‌های تیا شبیه به زمین بوده‌اند. شاید بدین خاطر که این سیاره نزدیک به زمین شکل گرفته است. البته شبیه‌سازی‌هایی که از زمان تشکیل منظومه‌ی شمسی انجام شده، نشان می‌دهد که احتمال وقوع این حادثه کمتر از یک درصد است. در تایید این شبیه‌سازی، باید گفت که در منظومه‌ی شمسی تقریبا هیچ جرمی وجود ندارد که ترکیب ایزوتوپی ماه و زمین را داشته باشد.

توضیح دیگر این است که برخورد چنان شدید بوده که تیا و زمین تقریبا ذوب و اتم‌های آن‌ها با یکدیگر ترکیب شده‌اند. این به خوبی توضیح می‌دهد که چرا ترکیب ایزوتوپی زمین و ماه یکسان است. شاید هم سیاره‌ی تیا بیشتر از یخ تشکیل شده باشد. در حقیقت یخ‌های سرگردان زیادی در منظومه‌ی شمسی وجود دارد که یکی از آن‌ها می‌توانست بسیار بزرگ باشد و به زمین برخورد کند. ولی در این صورت هم فقط ۷۳ درصد ماه می‌توانسته از ماده‌ی زمینی ساخته شده باشد و بنابراین نمی‌تواند این همه ایزوتوپ مشابه را توجیه کند. مشکل این است که تیا باید به صورت خیلی جزئی به زمین برخورد کرده باشد، در غیر این صورت ماه به کلی در مداری متفاوت قرار می‌گرفت.

ماه خیلی سریع بزرگ شد و اندازه‌ی آن به یک‌چهارم زمین رسید

شاید هم به کلی تیا برخورد جزئی با زمین نداشته است. در سال ۲۰۱۲، «ماتیجا کوک» (Matija Cuk) و «سارا استوارت» (Sarah Stewart) از دانشگاه هاروارد، نظر دیگری داشتند. آن‌ها گفتند که وقتی تیا به زمین برخورد کرد، زمین با سرعت خیلی زیاد به دور خودش می‌چرخید. اگر زمین خیلی سریع می‌چرخید، گشتاور کافی برای ارسال ماه به مدار مناسب را داشت. بنابراین نیازی به برخورد مماس در یک چشم به هم زدن نیست و زمین و تیا می‌توانسته‌اند شاخ به شاخ برخورد کرده باشند. این بدین معنیست که تیا می‌تواند بسیار کمتر از چیزی که قبلا تصور می‌شد، فقط ۲ درصد زمین جرم داشته باشد. بنابراین ماده‌ی تشکیل دهنده‌ی ماه نیز شباهت خیلی بیشتری به ماده‌ی زمینی دارد.

چهره‌ی ماه، آن‌طور که از زمین دیده می‌شود

در آوریل سال ۲۰۱۵، شواهد بیشتری در تایید فرضیه‌ی برخورد بزرگ مطرح شد. در این سال، دانشمندانی از فلسطین اشغالی توانستند شبیه‌سازی دقیق‌تری از اجرام سرگردان در منظومه‌ی شمسی اولیه درست کنند. آن‌ها فهمیدند اجرامی که به سیاره‌ها برخورد می‌کردند، اتفاقا خیلی شبیه به همان سیاره‌ها بودند. در حقیقت به جای اینکه تیا فقط یک درصد شانس شبیه بودن به زمین را داشته باشد، احتمال این شباهت می‌توانست تا ۲۰ درصد باشد. این می‌تواند تا حد زیادی توجیه کننده‌ی شباهت ماه به زمین باشد. استوارت می‌گوید: «با وجود همه‌ی این شواهد، کار هنوز تمام نشده و ما باید به دنبال شواهد بیشتری بگردیم.» بیشتر پژوهشگران فکر می‌کنند که باید حول و حوش نظریه‌ای شبیه به برخورد عظیم جستجو کنند. با این حال باید به دنبال راهی باشند که بتواند شباهت ایزوتوپ‌های ماه و زمین را توضیح دهد. بنابراین فعلا قوی‌ترین نظریه‌ای که وجود دارد،‌ همین برخورد بزرگ است.

منبع: BBC Earth