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Come si è formata la Luna

E' lì da miliardi di anni. In molti ancora pensano che sia l'astro che ci tiene compagnia tutte le notti, non facendo caso che in realtà la Luna non rischiara ogni notte; ma anche se la sua conoscenza è in molti casi soltanto limitata, la Luna è lì intorno alla Terra da miliardi di anni, in un continuo ballo cosmico. Ma come ci è arrivata intorno alla Terra?

"Vi siano luminari nel firmamento del cielo, per separare il giorno dalla notte, e servano da segni per le ricorrenze, per i giorni e per gli anni, e servano da luminari nel firmamento del cielo per far luce sulla Terra”. E così avvenne: Dio fece i due luminari maggiori, il luminare grande per dominare il giorno e il luminare piccolo per dominare la notte e le stelle. (Genesi, 1, 14-16)

Così narra la Bibbia, mentre la prima spiegazione scientifica risale a Georges de Buffon per il quale una grande cometa entrò in collisione con il Sole. Parte della materia solare finì in giro, raffreddandosi e dando vita a Terra e agli altri pianeti. Sempre un impatto avrebbe fatto nascere la Luna dalla Terra. Ci torneremo.

La costola della Terra: la Teoria della Fissione

Georges Howard DarwinPer i romantici che vedono la storia tra Terra e Luna come una lunghissima storia d'amore, vedere la Luna nascere dalla Terra può essere il giusto inizio. Si chiama Teoria della Fissione e come la donna biblica nasce dalla costola dell'uomo biblico, così la Luna nasce da strati che si staccano dalla Terra e che vanno a formare un corpo a sé stante.

Le Maree di George Howard DarwinElaborata nel 1878 dal secondo figlio di Charles Darwin, Georges H. Darwin, la Teoria della Fissione vede una giovane e fluida Terra in rotazione estremamente veloce, al punto che una parte della crosta terrestre - ancora incandescente e quindi poco amalgamata - si stacca dalla fascia equatoriale fino a porsi in orbita terrestre dove, solidificando, dà vita al nostro satellite. La parte mancante sulla Terra, quella espulsa dalla forza centrifuga, corrisponderebbe al bacino dell'Oceano Atlantico. 

Una Luna che nasce, quindi, per "gemmazione" e la proposta viene da fonte autorevole perchè da un lato è vero che ai tempi di oggi si potrebbe pensare a una "raccomandazione" del padre Charles, ma in realtà Georges H. Darwin fu astronomo di grande preparazione che vinse la medaglia d'oro della Royal Astronomical Society nel 1892 e che divenne anche presidente della RAS. 

Da esperto di maree quale fu, appare evidente come la "gemmazione" terrestre che diede vita alla Luna nasca da un concetto simile. 

Prendiamo da memospazio.it una traduzione di uno stralcio dell'opera "Le maree": 

... Io dico che, se un pianeta come la Terra facesse una rotazione completa ogni tre ore, sarebbe vicinissima a finire in pezzi. L'attrazione di gravità avrebbe appena la forza sufficiente per tenerla insieme, così come la forza di coesione del ferro è insufficiente a mantenere insieme un volano, se questo sta ruotando troppo velocemente. C'è ovviamente un'importante differenza tra il caso di un volano che va in frantumi e la supposta rottura della Terra: quando un volano si rompe, i pezzi sono scagliati via non appena la forza di coesione viene meno, mentre, quando un pianeta si frantuma a causa di una rotazione troppo rapida, la gravità deve continuare a tenere insieme i pezzi anche dopo che questi hanno cessato di far parte di un singolo corpo.
 
Pertanto, abbiamo terreno per congetturare che la Luna sia composta da frammenti del pianeta originario che ora chiamiamo Terra, i quali si staccarono all'epoca in cui il pianeta ruotava troppo velocemente e in seguito si consolidarono.

Gemmazione della Luna a partire dalla Terra in una pubblicazione dell'epoca

Da un lato l'idea è illuminante poiché sarebbe anche adatta a spiegare la minor densità della Luna rispetto a quella terrestre: a fuggire dalla Terra sarebbero infatti i materiali più leggeri. Tuttavia la teoria della fissione è stata scartata, e basteranno le due ragioni seguenti a indicarcene i motivi determinanti.

In realtà, sebbene la teoria sia affascinante, non corrisponde ai dati in nostro possesso visto che un simile evento richiederebbe una rotazione terrestre di 2,5 ore, cosa che neanche all'epoca era possibile dato il momento angolare dell'intero sistema Terra-Luna: neanche tutta l'energia del sistema avrebbe potuto portare a una simile rotazione il nostro pianeta. 

Seconda obiezione facilmente intuibile risiede nell'orbita lunare, inclinata rispetto al piano dell'equatore. Se la materia terrestre si fosse staccata dall'equatore (e non v'è motivo fisico in grado da farla staccare da altre latitudini, trattandosi di rotazione pura) la Luna avrebbe orbitato il nostro pianeta con inclinazione nulla, regalandoci così una eclisse di Sole ad ogni Novilunio e una eclisse di Luna a ogni Plenilunio.

Niente costola quindi, con rammarico. Ma ancora non è detta l'ultima parola.

La predatrice Terra e la preda Luna: cattura gravitazionale

Una modalità di acquisizione dei satelliti molto in voga nel Sistema Solare, e probabilmente altrove, consiste nella cattura gravitazionale: un corpo minore viene attratto da uno maggiore fino a entrarvi in orbita. E' accaduto a Deimos e Phobos con Marte ed è accaduto a svariati satelliti di Giove e Saturno, tanto per fare degli esempi. Tuttavia un fenomeno balza subito agli occhi ed è dato dalle differenti dimensioni di "pianeta-predatore" e "satellite-preda". Marte è la metà della Terra, ma i suoi satelliti sono veri e propri sassolini se confrontati con la Luna. Giove e Saturno sono pianeti giganti.

Confronto Terra-Luna e altri satelliti

Cattura gravitazionale della LunaLa Terra e la Luna si presentano più come sistema binario di pianeti che come sistema pianeta-satellite in base alle dimensioni medie del Sistema Solare, quindi è difficile credere che il nostro pianeta sia stato in grado di acquietare e imbavagliare la Luna mettendola nel proprio circondario.

Del tutto improbabile, infatti, che la Terra sia stata in grado di frenare l'avvicinamento di un colosso come la Luna, che anziché disporsi in orbita sarebbe andata a cozzare proprio sul nostro pianeta. La velocità della Luna dovrebbe esser stata molto molto bassa, ma anche nella più bassa delle ipotesi lo scenario previsto non risulta percorribile. Sarebbe stato scontro, non cattura.

La teoria nasceva dalla differente composizione di Terra e Luna, cosa che in realtà è stata anche smentita dalle missioni Apollo visto che i basalti di Terra e Luna hanno mostrato le stesse quantità degli isotopi dell'ossigeno.

 

Si cresce insieme: Teoria dell'Accrezione

Teoria dell'accrezioneEra il 1960 quando Ruskol propose per la Luna un modello del tutto simile a quello di formazione dei pianeti (chi vuol leggere qualcosa in merito può sfogliare il libro di Ruskol): intorno alla Terra primordiale si sarebbe creato quindi un disco di materiali minori che diedero vita ad un processo di differenziazione. La differenziazione consiste nel far "sprofondare" verso l'interno di un corpo gli elementi più pesanti, il che avrebbe dato vita ad un nucleo di ferro e nichel, mentre gli elementi più leggeri restano nelle zone superficiali e sub-superficiali. Gli elementi volatili sarebbero poi stati allontanati definitivamente dal vento solare di un Sole in fase T-Tauri

Nel 1970 la teoria fu ripresa e ampliata da A.E.Ringwood (Terrestrial Origin of the Moon), che spiegò la presenza di un anello di materiali intorno alla Terra con il surriscaldamento del nostro pianeta a causa di continui impatti meteorici. A 1500°C i silicati della crosta terrestre sarebbero evaporati creando un anello dal quale si sarebbero formati in seguito i planetesimi dai quali nacque l'odierna Luna. 

In fondo si tratta di un processo che per i pianeti viene accettato, ma il problema risiede nell'inclinazione dell'orbita lunare rispetto al nostro equatore: perché esisterebbero i 5°,9 che vediamo oggi? Anche in questo caso, quindi, a far scartare l'ipotesi concorre la particolare orbita lunare che anziché disporsi in fascia equatoriale come sarebbe lecito attendersi da eventi lineari si dispone in maniera inclinata. 

Serve altro.

La teoria più accreditata: scontro gigante

Di tutto quel che abbiamo detto finora, cosa resta? Restano le teorie avanzate e poi scartate, si potrà dire, ma non solo. Restano i dati delle missioni Apollo che ci hanno detto che Luna e Terra presentano una composizione del tutto simile e questo è un indizio non da poco. Se sono così simili perché non potrebbero essere nate insieme? Perché non potrebbero essere l'una la costola dell'altra, in un modo tale da riuscire a spiegare orbita inclinata e lievi differenze? Se la natura delle cose porta ad un'orbita equatoriale, perché non pensare a qualche evento "contro natura" anche se sempre di natura si tratta?

Origine della Luna da un impatto

Una collisione. Era il 1974 quando K. Hartmann formulò la teoria dell'impatto per la quale la Luna deriva da un sistema binario di pianeti: la Terra e un pianeta delle dimensioni di Marte (al quale alcuni hanno addirittura dato un nome, Theia) in un'orbita reciproca perturbata dalla instabilità di un Sistema Solare ancora troppo giovane. Un'orbita non equatoriale, con i due pianeti intenti a ruotare l'uno intorno all'altro con un certo angolo di inclinazione. La Terra, all'epoca, aveva una massa tra il 50% e il 90% di quella attuale. Le perturbazioni esistenti portarono i due corpi ad avvicinarsi sempre più, fino a che la grande vicinanza non divenne una "troppa" vicinanza con inevitabile collisione, ad una velocità di 8 km/s. Conseguenza apocalittica, con espulsione di una grande quantità di materia da parte del mantello terrestre e di ferro fuso proveniente dal secondo pianeta. Il materiale entrò in orbita terrestre e dopo poche ore si dispose ad anello. Dopo qualche secolo l'anello si portò a distanze superiori al Limite di Roche, dove i corpi che lo compongono sono liberi di unirsi e dar vita ad un corpo unico. Nasce la Luna, in un processo che unisce alcune teorie precedentemente scartate: l'intuizione di De Buffon riguardante un impatto della Terra, il disco di materiale intorno al nostro pianeta e la Luna che nasce come parte terrestre, il che fa acquisire di nuovo un tono romantico.

La Luna inizialmente era ricoperta di lava incandescente che comportò l'evaporazione delle sostanze volatili, tra le quali l'acqua. Il modello spiega la minor densità della Luna e spiega anche la presenza di un nucleo di ferro all'interno del nostro satellite, proveniente dal materiale di "Theia". E' confermato anche da une piccola differenza trovata tra gli isotopi dell'ossigeno 17O e 18O: una differenza di dodici parti su un milione che comunque conferma la presenza di un terzo corpo oltre a Terra e nascente Luna.

Doppio impatto Terra-Theia

Nel 2001 Robin Canup avanzò l'ipotesi di un doppio scontro tra Terra e Tehia, fornendo come esempio il sitema Plutone-Caronte. La variazione sul tema consiste in una prima nube di polveri derivante dalla collisione (avvenuta con angolazione di 45° e velocità 4 km/s), nube che poi si è solidificata ed è ricaduta sulla Terra dopo pochi anni, creando un secondo impatto e un nuovo anello. Il motivo alla base dell'introduzione del secondo impatto sta nella quantità di materia necessaria per creare la Luna, e in tal senso un solo impatto sembrerebbe insufficiente a fornirla. 

 

Luna e crateri antichi

Il problema dell'olivina

Il mantello terrestre è ricco di olivina e sulla base che di speciale non abbiamo proprio nulla assumiamo facilmente che lo stesso valga per tutti gli altri corpi rocciosi del Sistema Solare. La stessa cosa ce la aspettiamo così dalla Luna, ma quel che troviamo, invece, sono ortopirosseni, pirosseni ortorombici poveri in Ca e ricchi in Fe e M. Lo sappiamo grazie a una collisione asteroidale di 4 miliardi di anni fa, in grado di scavare sulla Luna un grande cratere, il più grande e profondo corrispondente al al Polo sud lunare. Proprio l'impatto ha esposto il mantello lunare. La zona è stata studiata al fine di identificarne i minerali che la compongono tramite spettroscopia. C'è anche olivina, ma in misura nettamente inferiore, quindi il contrario di quanto riscontrato sulla Terra. Ancora una volta la formazione della Luna diventa un puzzle in cui i pezzi, anziché aumentare, diminuiscono (Geology, Ottobre 2017).
 

Un aiuto dalla Rusty Rock

Rusty RockA favore della teoria del grande impatto per la nascita lunare ci sono nuove analisi operate su campioni di roccia riportati a Terra dalle missioni Apollo, precisamente dalla "Rusty Rock 66095" con frammenti riportati nel 1972 da Charlie Duke e John Young. L'articolo appare su Proceedings of the National Academy of Sciences del 21 Agosto 2017, a opera di ricercatori allo Scripps Institution of Oceanography dell'Università della California e San Diego, e mostra una Luna molto arida al suo interno. La formazione della Luna passa per la quantità di acqua presente al suo interno, infatti, ma anche di elementi volatili: se la Luna è arida, secca, allora l'ipotesi del grande impatto ha solide basi. L'analisi della Rusty Rock indica che, al momento della formazione, la Luna era caldissima, un oceano di magma che ha messo in fuga acqua e elementi volatili come lo zinco (alle condizioni di allora). La certezza arriva da una roccia "arrugginita" come la Rusty Rock, il che è senz'altro un paradosso visto che la ruggine deriva dalla presenza di acqua. Potrebbe trattarsi di acqua terrestre, ma le nuove analisi hanno rivelato una composizione del tutto consistente con un interno lunare totalmente arido: la Rusty Rock è piena di isotopi leggeri di zinco, il che vuol dire che si tratta probabilmente del prodotto della condensazione dello zinco sulla superficie lunare dopo l'evaporazione legata alla formazione del satellite. Lo zinco è un elemento volatile e si comporta un po' come l'acqua liquida, alle condizioni esistenti all'epoca sulla Luna. E' come le nubi che si formano dall'oceano, ricche di isotopi leggeri dell'ossigeno mentre l'oceano resta ricco di isotopi pesanti. Allo stesso modo l'interno della Luna deve essere ricco di isotopi pesanti e deve essere arido, contrariamente a quanto possa essere risultato da un recente lavoro che vedeva cristalli ricchi di acqua negli antichi depositi di vulcani lunari.
 

Abbiamo detto che chimicamente sembra tutto a posto. Ma che dire delle due facce lunari, così diverse da sembrare due facce di due corpi celesti distinti?

Quante Lune si sono formate? Due spiegazioni alla doppia faccia

Due lune distinte. Potrebbe essere una idea e un gruppo di scienziati delle università di Berna e di Santa Cruz, guidati da Martin Jutzi e Erik Asphaug, pubblicarono nel 2011 la rivoluzionaria idea per la quale l'impatto con Marte portò alla nascita di due lune che in seguito si fusero tra di loro.

La Luna che vediamo oggi nel cielo sarebbe quindi ciò che resta della fusione, con una faccia appartenente alla prima luna e la seconda faccia appartenente alla gemella. Due anelli al posto di uno, dei quali uno con massa pari a un terzo dell'anello maggiore. Le due lune orbitarono insieme per circa dieci anni fino a che, allontanandosi dalla Terra, iniziarono a subire l'attrazione solare in maniera diversa fino a scontrarsi. Un impatto dolce, che portò alla fusione anziché alla collisione cataclismica. 

Collisione tra due lune

Difficile da digerire come teoria, e infatti nel 2014 ne arriva un'altra dalla Università della Pennsylvania: al momento della formazione la Luna era più vicina di circa 10 volte alla Terra di quanto non lo sia ora e proprio la differente dimensione fece sì che la Luna si raffreddò prima rispetto alla Terra. Il suo lato vicino, però, rimase sempre esposto alla più calda Terra quindi faticò più del lato lontano a freddarsi (si ipotizza che già allora esistesse una rotazione sincrona del nostro satellite). Gli impatti meteorici del bombardamento pesante, quindi, trovarono sul "lato vicino" una superficie più morbida e facilmente perforabile, con conseguenti fuoriuscite di magma e creazione di mari. Sul lato lontano, invece, la crosta reagì con crateri più superficiali e aridi.

E il futuro?

La nostra amata Luna si allontana da noi ad un tasso di circa 4 centimetri all'anno e, trattandosi di "sistema", ad un allontanamento del nostro satellite corrisponde una variazione nel moto di rotazione terrestre. Tra due miliardi di anni circa la Luna sarà troppo lontana per far la voce grossa con la propria attrazione gravitazionale, lasciandoci da soli. Quali sono le conseguenze?

Innanzitutto sarebbe tutto più brutto senza la Luna, ma non solo. L'asse di rotazione terrestre è stabilizzato dalla presenza del nostro satellite il che è fondamentale per stabilizzare le stagioni, ad esempio, e per non ritrovarsi il ghiaccio ai poli oppure all'equatore in base a come l'instabilità orienta l'asse di rotazione stesso. 

La Luna ha rallentato la rotazione terrestre, passata da 4 ore circa a 24. In assenza di Luna, si stima che il giorno sarebbe durato circa 10 ore, risentendo della sola influenza gravitazionale del Sole, con conseguenze nette sulla durata delle ore di insolazione e sull'atmosfera.

Senza le maree indotte dalla Luna, il rigonfiamento dei mari presente all'equatore verrebbe distribuito più verso i poli dando vita a livelli oceanici più alti e al conseguente "annacquamento" di diverse zone attualmente abitabili. Alla crosta terrestre verrebbe a mancare quell'effetto mareale che, seppur lieve, determina parte del riscaldamento terrestre.

La Terra vista dalla Luna, credit NASA LRO


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