Zo’n 4,5 miljard jaar geleden crashte een kleine planeet op de jonge Aarde. De brokstukken vlogen de ruimte in. Langzaam voegde het puin zich samen, het koelde af en vormde een harde ronde bol, onze maan. Dat het zo gegaan is, daar zijn wetenschappers het wel over eens, maar veel details bleven een raadsel. Tot nu.
Niet zo gek, want de meeste kennis over de maan komt van monsters die de Apollo-astronauten meer dan vijftig jaar geleden namen van het gesteente dat ze tegenkwamen, in combinatie met theoretische modellen. En daaruit bleek iets vreemds. De monsters van de stenen bevatten verrassend hoge concentraties titanium, maar uit satellietobservaties bleek later dat dit soort gesteente alleen voorkomt aan de voorkant van de maan dus de zijde die naar de Aarde is gericht. Hoe en waarom dat zo is, daar weten astronomen nu eindelijk meer over.
Een oceaan vol kolkend magma
Omdat de maan zich snel vormde en superheet was, is het waarschijnlijk dat hij bedekt was met een magmaoceaan. Toen het gesteente langzaam afkoelde en stolde, ontstond de mantel en de heldere korst die we zien als we ’s nachts naar de volle maan kijken. Maar dieper onder het oppervlak was de jonge maan compleet uit evenwicht. Volgens modellen kristalliseerde het laatste magma in onder meer het mineraal ilmeniet, dat titanium en ijzer bevat.
“Omdat deze zware mineralen een grotere dichtheid hebben dan de mantel eronder, ontstaat een instabiele zwaartekracht. Je zou verwachten dat deze laag dieper in het binnenste van de maan zakt”, legt hoofdonderzoeker Weigang Liang uit van de University of Arizona. Dat gebeurde in eerste instantie ook, maar het mengde met de mantel, smolt en kwam terug aan het oppervlak als de titaniumrijke lavastromen die we tegenwoordig op het oppervlak zien.
Binnenstebuiten
“Onze maan keerde zichzelf letterlijk binnenstebuiten”, reageert onderzoeker Jeff Andrews-Hanna, wiens studie in Nature verscheen. “Maar er is weinig fysiek bewijs dat licht schijnt op de exacte volgorde van de gebeurtenissen tijdens deze kritieke fase van de geschiedenis van de maan en er is veel discussie over de details van wat er naar beneden zakte.”
Want zonk dit materiaal op het moment dat het zich vormde, dus beetje bij beetje, of ging het allemaal in één keer naar beneden nadat de maan volledig gestold was? En zonk het overal op de maan en kwam het aan de voorkant weer naar boven, of verplaatste het zich naar de voorkant van de maan en zakte het daarna weg? Zakte het bovendien in één grote blub of in meerdere kleine blubjes? “Zonder bewijs kun je je favoriete model uitkiezen. Elk model heeft echter diepgaande implicaties voor de geologische evolutie van onze maan”, klinkt het.
Dikke laag titanium
De onderzoekers lieten zich leiden door een eerdere studie uit China. Die modellen voorspelden dat de dikke laag van titaniumrijk materiaal onder de korst zich eerst verplaatste naar de voorkant van de maan, mogelijk veroorzaakt door een enorme impact aan de achterzijde. Daarna zonk het naar het binnenste van de maan via een netwerk van plateaus, een beetje als watervallen. Maar terwijl het materiaal wegzonk, liet het een spoor achter van titanium net onder de korst.
“Toen we de voorspellingen van het model zagen, was het alsof er een lampje ging branden, omdat we exact hetzelfde patroon zagen als we naar de subtiele variaties in het zwaartekrachtveld van de maan kijken. Het onthult een netwerk van dicht materiaal dat zich schuilhoudt onder de korst”, vertelt Andrews-Hanna.
NASA-metingen
De astronomen vergeleken de simulatie van een zinkende ilmenietrijke laag met een aantal kleine variaties in de zwaartekracht, die twee ruimtevaartuigen van NASA in 2011 en 2012 oppikten toen ze rond de maan draaiden. Deze anomalieën omringden een uitgestrekt donker gebied op de voorkant van de maan bedekt met vulkanische stromen.
De auteurs ontdekten dat de zwaartekrachtmetingen van NASA consistent waren met de simulaties van de ilmenietlagen en dat het zwaartekrachtveld kan worden gebruikt om de verspreiding van de ilmenietresten in kaart te brengen, die zijn achtergebleven nadat de meerderheid was weggezonken.
Consistent verhaal
“Onze analyses maken duidelijk dat de modellen en de data een opmerkelijk consistent verhaal vertellen”, aldus Liang. “Ilmeniet migreerde naar de voorzijde van de maan en zakte daar in het binnenste via trapsgewijze cascaden. Daarbij bleef een spoor achter dat leidde tot afwijkingen in het zwaartekrachtveld van de maan, zoals dat door NASA is waargenomen.”
Maar niet alleen wat er gebeurde, ook wanneer het gebeurde, is nu duidelijker: de afwijkingen in zwaartekracht werden onderbroken door de grootste en oudste impactbassins op de voorkant van de maan en moeten daarom eerder gevormd zijn. Daarom is de ilmenietrijke laag meer dan 4,22 miljard jaar geleden gezonken. Dat is consistent met hoe het bijdroeg aan later vulkanisme zoals dat is gezien op het maanoppervlak.
“Voor het eerst hebben we fysiek bewijs dat aantoont wat er in het binnenste van de maan gebeurde tijdens een cruciale fase in zijn evolutie en dat is erg opwindend”, besluit Andrews-Hanna. “Het blijkt dat de vroegste geschiedenis van de maan is geschreven onder het oppervlak. Er was alleen de juiste combinatie van modellen en data nodig om dat verhaal te onthullen.”
