ماه از کجا آمده است؟

ماه از کجا آمده است؟

ماه برای ما انسان‌ها یک معما است. همه‌ی افراد ساکن زمین می‌توانند آن را ببینند، اما تنها یک سمت آن را. ماه بر روی جزر و مد دریاها و حتی خواب ما تاثیر می‌گذارد. هرچند انسان بالاخره توانست در سال ۱۹۶۹ به ماه سفر کند، اما تا به حال، پس از گذشت تقریباً نیم قرن از آن زمان، تعداد افرادی که به ماه رفته‌اند تنها به ۱۲ نفر می‌رسد.

به لطف اطلاعات به دست آمده از فضانوردان و کاوشگرهای بدون سرنشینی که بر روی ماه فرود آمده‌اند، حالا بیش از هر زمان دیگری در تاریخ بشر درباره‌ی قمر زیبای سیاره‌مان اطلاعات داریم. اما با وجود انبوهی از داده‌های به دست آمده، هنوز هم یک سوال ظاهراً ساده وجود دارد که دانشمندان در پاسخ دادن به آن مشکل دارند: ماه از کجا آمده است؟ آیا ماه به نحوی از زمین جدا شده است؟ آیا آزادانه در منظومه‌ی شمسی حرکت می‌کرده و بعدها به دام گرانش زمین افتاده است؟ و یا اتفاقی آخرالزمانی باعث شده است تا ماه به وجود بیاید؟

اجداد ما توانایی سفر به ماه را نداشتند، اما همواره این سوال که ماه از کجا آمده است، ذهن آن‌ها را به خود مشغول می‌کرد. گالیله، ستاره شناس، فیزیک‌دان و فیلسوف ایتالیایی، تلسکوپ قدرتمندی ساخت که ماه را با جزئیات بسیار بالایی نشان می‌داد؛ جزئیاتی که دیدن‌شان تا پیش از آن برای بشر ممکن نبود.

در اوایل قرن هفده میلادی، گالیله نشان داد که ماه سطحی شبیه برخی مناطق زمین دارد؛ ناهموار و پر از کوه و دشت. این موضوع اولین جرقه‌های این ایده که زمین و ماه به نوعی با هم شکل گرفته‌اند را در ذهن انسان به وجود آورد.

پس از گذشت ۲ قرن از آن زمان، ایده‌ی جالبی به ذهن جورج داروین (پسر چارلز داروین شهیر) رسید. پیشنهاد او این بود که احتمالآً هنگامی که زمین عمر چندانی نداشته است، با سرعت بالایی به دو خود می‌چرخیده و در نتیجه قسمتی از آن به فضا پرتاب شده و ماه را به وجود آورده است. اقیانوس آرام هم به نوعی اثر زخم آن حادثه بر صورت زمین است.

این ایده چندان با استقبال مواجه نشد و پس از جنگ جهانی دوم، ایده‌ای کاملاً متفاوت جای آن را گرفت.

هارولد یوری شیمی‌دان پیشنهاد داد که ماه از قسمت دیگری از کهکشان آمده و هنگام گذر از کنار زمین در دام نیروی گرانش آن افتاده است. نظریه‌ی «گیر افتادن» بسیاری از مشکلات تئوری‌های پیشین را حل می‌کرد. ماه در مقایسه با زمین خیلی بزرگ است. در واقع، از لحاظ نسبت اندازه‌ی قمر به اندازه‌ی سیاره‌ی میزبان، ماه رتبه‌ی اول را در منظومه‌ی شمسی به خود اختصاص داده است. این تئوری همچنین اینکه چرا همیشه یک روی ماه به سمت زمین است را نیز توضیح می‌دهد.

با این حال، همچنان تعدادی از دانشمندان قانع نشده بودند. آن‌ها مطمئن نبودند که زمین توانسته باشد ماه را بدون اینکه مدار گردشش به دور خورشید مختل شود به دام بیندازد. آن‌ها همچنین عقیده داشتند که در چنین سناریویی، برخورد این دو با یکدیگر بسیار محتمل‌تر بوده است.

یک راه حل برای مشکل دوم وجود داشت. اگر اتمسفر زمین در آن زمان بسیار ضخیم‌تر از الان می‌بوده، می‌توانسته به مانند یک ایربگ غول آسا سرعت نزدیک شدن ماه به زمین را کاهش داده و آن را به سمت فضا پرتاب کرده و در مدار قرار دهد. اما چنین احتمالی هم بسیار ضعیف است.

ماه شناسان به نظریه‌ای احتیاج داشتند که با مشاهدات کلیدی در مورد ماه سازگار باشد. به طور خاص، اندازه‌ی نسبتاً بزرگ و سرعت شتاب‌دار گردش ماه به دور زمین که به معنای فاصله گرفتن تدریجی آن از زمین است.

نظریه‌ی دیگری که مطرح شد، «تئوری یکپارچگی» بود. بنا به این تئوری، ماه و زمین همزمان با یکدیگر از دیسکی از مواد در حال چرخش به دور یک سیاه‌چاله شکل گرفته‌اند. این تئوری هم دوام چندانی نیاورد، چرا که در توضیح سرعت چرخش ماه به دور زمین ناکارآمد بود. همچنین اخترشناسان متوجه شدند که چگالی ماه تنها نصف زمین است و این یعنی ماه و زمین از یک دیسک مواد به وجود نیامده‌اند. در نهایت نشانه‌ای از وجود سیاهچاله هم در دسترس نبود.

«تئوری به دام افتادن» که توسط یوری مطرح شده بود تا دهه‌ی ۶۰ میلادی، هنگامی که آمریکا تلاش برای ارسال انسان به ماه را آغاز کرد، همچنان به عنوان تئوری غالب باقی ماند. اگر تئوری یوری واقعاً صحت داشت، ماه می‌بایست ترکیب شیمیایی کاملاً متفاوتی با زمین داشته باشد.

برای آزمایش این موضوع، فضانوردان آپولو وظیفه داشتند مقداری از سنگ‌های ماه را با خود به زمین بیاورند. در کمال شگفتی، اطلاعات به دست آمده از سنگ‌ها باعث ابطال تمامی نظریات پیشین شد.

اولین تئوری ابطال شده، تئوری جورج داروین بود. نتایج آزمایش بر روی سنگ‌های ماه نشان دادند که ماه بسیار از اقیانوس آرام و «جای زخم» زمین قدیمی‌تر است.

الکس هالیدی، از دانشمندان دانشگاه آکسفورد می‌گوید:

قدیمی‌ترین سنگ‌های ماه از نوع آنورتوزیت سفید هستند. از آنجایی که این ماده‌ی معدنی چگالی کمی دارد، معمولاً بر روی ماگمای مذاب شناور می‌ماند و در نتیجه در نزدیکی سطح یافت خواهد شد. با توجه به اینکه خارجی‌ترین لایه از پوسته‌ی زمین تنها ۲۰۰ میلیون سال قدمت دارد، نمی‌تواند منشاء سنگ‌های ماه باشد.

تئوری به دام افتادن یوری هم از ابطال توسط سنگ‌های ماه در امان نبود. دانشمندان در کمال شگفتی متوجه شدند که ترکیب شیمیایی سنگ‌ها و خاک ماه با زمین تقریباً یکسان است. اگر زمین و ماه جدای از یکدیگر شکل گرفته بودند، چنین نتیجه‌ای بسیار بعید می‌بود.

سنگ‌ها نشان دادند که ماه ۲۹ میلیون سال پس از بقیه‌ی اجرام هم اندازه‌اش در منظومه‌ی شمسی شکل گرفته است. همچنین به نظر می‌رسد که ماه آغازی آتشین داشته است. نواحی تاریک سطح آن احتمالاً زمانی پوشیده از ماگمای مذاب بوده‌اند.

یک تئوری خوب درباره‌ی منشاء ماه می‌بایست توضیحی برای تمامی این نکات با خود به همراه می‌داشت، در حالی که هیچکدام از نظریات پیشین قادر به این کار نبودند.

جی ملوش از دانشگاه پوردو می‌گوید:

اطلاعات زیادی با جزئیات بالا از سنگ‌های ماه به دست آمدند، اما این اطلاعات هیچ تصویر روشنی از منشاء ماه به دست نمی‌دادند.

در سال ۱۹۷۵، سه سال پس از آخرین ماموریت آپولو، ایده‌ی جدیدی مطرح شد. نظریه‌ی جدید که «برخورد عظیم» نام داشت، بسیار دراماتیک بود و به سرعت در بین دانشمندان مشهور شد.

ویلیام هارتمن و دونالد دیویس از موسسه‌ی علوم سیاره‌ای توسان در آریزونا نظریه‌ی خود را اینگونه مطرح کردند:

در آغاز پیدایش منظومه‌ی شمسی در ۴.۵ میلیارد سال پیش، اجسام بزرگ زیادی در منظومه‌ی شمسی سرگردان بوده‌اند و احتمالاً یکی از آن‌ها با زمین برخورد کرده است. جسم برخورد کرده با زمین احتمالاً ابعادی در حدود سیاره‌ی مریخ و جرمی حدود یک دهم جرم زمین داشته است. این سیاره‌ی فرضی با نام مستعار تیا (Theia)، مانند یک توپ بیلیارد با یک سوی زمین جوان برخوردی «جانبی» کرده است.

این برخورد جانبی باعث شده است تا قسمتی از پوسته‌ی خارجی زمین از آن کنده شده و به شکل توپ مذابی از مواد به دور زمین به گردش در بیاید. این توپ مذاب تازه شکل گرفته در ابتدا بسیار نورانی بوده و به دلیل فاصله‌ی نزدیکش به زمین یک سوم از آسمان زمین را می‌پوشانده است. به مرور زمان توپ داستان ما خنک می‌شود و از زمین بیشتر فاصله می‌گیرد و شبیه چیزی می‌شود که شب‌ها در آسمان می‌بینیم.

این برخورد به وسیله‌ی کامپیوترها هم شبیه‌سازی شده و به خوبی جواب می‌دهد. برای شروع، نظریه‌ی برخورد بزرگ توضیح می‌دهد که چرا هسته‌ی آهنی ماه در برابر هسته‌ی آهنی زمین انقدر کوچک است. در هنگام برخورد، هسته‌ی تیا به سمت مرکز زمین حرکت کرده و ماه عمدتاً از لایه‌های خارجی زمین تشکیل شده است. به همین دلیل آهن زیادی به ماه نرسیده است.

همچنین این تئوری توضیح می‌دهد که چرا ماه عناصر فرّار (عناصری که به راحتی به حالت گازی تبدیل می‌شوند) کمی دارد. گرمای ناشی از برخورد احتمالاً آن‌ها را به فضا پراکنده است. در انتها، اندازه‌ی نسبی زمین و تیا هم می‌تواند توضیح دهنده‌ی سرعت غیر عادی گردش ماه به دور زمین باشد.

هالیدی تئوری برخورد را «کم نقص‌ترین» توضیح درباره‌ی منشاء ماه می‌داند؛ اما عقیده دارد این تئوری هم هنوز دارای اشکالاتی است. مهمترین اشکال آن، همان اشکالی است که به تئوری ربایش یوری هم وارد می‌شود: ساختار شیمیایی زمین و ماه بیش از اندازه به یکدیگر شباهت دارند.

اگر می‌خواهید بفهمید که چرا دانشمندان از شباهت ساختار شیمیایی زمین و ماه حیرت زده می‌شوند و نمی‌توانند دلایل تصادفی برای چنین شباهتی را بپذیرند، ابتدا باید با مفهوم ایزوتوپ آشنا باشید.

هر اتم از الکترون، پروتون و نوترون تشکیل شده است. تمامی اتم‌های یک عنصر خاص، تعداد الکترون و پروتون‌های یکسانی دارند، اما تعداد نوترون‌های آن‌ها می‌تواند با هم متفاوت باشد که در این صورت نام «ایزوتوپ» را بر روی آن‌ها می‌گذاریم.

ایزوتوپ‌ها به نوعی مانند اثر انگشت برای مواد شیمیایی عمل می‌کنند. اگر یک ماده‌ی اسرار آمیز در اختیار داشته باشید، با نگاهی به ترکیب ایزوتوپ‌های آن می‌توانید به شواهدی درباره‌ی منشاءِ آن ماده دست پیدا کنید.

در مورد سنگ‌های ماه، مقداری از ایزوتوپ‌ها باید مربوط به زمین، و بقیه‌ی آن باید مربوط به تیا باشند و درنتیجه ترکیب ایزوتوپی عناصر موجود در ماه باید چیزی بین زمین و تیا باشد. اما در واقع ترکیب ایزوتوپی مواد در ماه، با تقریب خوبی دقیقاً مثل زمین است. اگر تیایی وجود داشته، هیچ اثری از خود در ماه به جای نگذاشته و این بزرگ‌ترین مشکل تئوری برخورد است.

موضوع در مورد ایزوتوپ‌های تنگستن و سیلیکون مقداری پیچیده‌تر است، چرا که آن‌ها حین شکل‌گیری هسته‌ی سیاره‌ها تولید می‌شوند.

هالیدی اینگونه توضیح می‌دهد:

هر سیاره‌ای تاریخچه‌ی منحصر به فرد شکل گیری هسته‌ی خودش را دارد و در نتیجه می‌توان انتظار داشت که به همین دلیل، ترکیب ایزوتوپ‌های تنگستن و سیلیکون هر سیاره نیز منحصر به فرد باشد. اگر به ایزوتوپ‌های این عناصر در ماه بنگرید، انگار از زمین آمده‌اند.

ملوش بر روی این یافته‌ها نام «بحران ایزوتوپیک» گذاشته است، اما این نتایج تاکنون نتوانسته‌اند به تنهایی فرضیه‌ی برخورد را رد کنند.

ساده‌ترین توضیح ممکن برای این شباهت این است که تیا به صورت اتفاقی «امضای ایزوتوپیک» دقیقاً مشابه زمین داشته است؛ که خود چنین چیزی ممکن است به دلیل شکل گیری تیا در نزدیکی زمین اتفاق افتاده باشد. اما بر اساس شبیه‌سازی‌های کامپیوتری از مراحل اولیه‌ی تشکیل منظومه‌ی شمسی، احتمال چنین اتفاقی کمتر از یک درصد است. به علاوه، هیچ جسم دیگری با ترکیب ایزوتوپیک مشابه زمین و ماه در منظومه‌ی شمسی وجود ندارد.

احتمال دیگر این است که برخورد تیا با زمین به حدی شدید بوده است که هر دو سیاره در هم ذوب شده و اتم‌های آن‌ها کاملاً با یکدیگر مخلوط شده است. هرچند این سناریو شبیه بودن زمین و ماه به یکدیگر را توضیح می‌دهد، اما احتمال اینکه برخورد زمین و تیا به این شدت بوده باشد بسیار ضعیف است.

احتمال پیشنهادی دیگر این است که جسمی که به زمین برخورد کرده، عمدتاً از یخ تشکیل شده باشد. چنین اجرامی در خارج از منظومه‌ی شمسی وجود دارند و ممکن است یکی از آن‌ها با سرعت بالا با زمین برخورد کرده باشد. اما در این صورت هم تنها ۷۳ درصد از جرم کنونی ماه می‌توانسته از زمین جدا شده باشد که باز هم ترکیب ایزوتوپ‌ها را توجیه نمی‌کند.

مشکل اصلی اینجاست که برای توجیه مدار فعلی ماه، تیا باید برخوردی مختصر، و از یک سمت با زمین می‌داشته است. در واقع «فرض برخورد جانبی و مختصر» است که باعث به وجود آمدن پارادوکس ایزوتوپ‌های مشابه می‌شود. شاید اصلاً این فرض غلط باشد و تیا و زمین برخوردی شاخ به شاخ را با هم تجربه کرده باشند. در سال ۲۰۱۲ ماتیا کوک و سارا استوارت از دانشگاه هاروارد، راهی برای فرار از این فرضِ از پیش قبول شده پیدا کردند.

آن‌ها پیشنهاد کردند که احتمالاً زمین قبل از برخورد تیا با آن، با سرعت بسیار بالا به دور خود می‌چرخیده و به قدریمومنتوم داشته که می‌توانسته ماه را به مداری مناسب بفرستد. بنابراین احتیاجی به برخورد جانبی وجود نداشته و تیا در صورت برخورد مستقیم هم می‌توانسته باعث به وجود آمدن ماه شود.

این فرض همچنین به این معنا است که تیا می‌توانسته بسیار کوچک‌تر از آنچه تا پیش از این فرض می‌شد باشد؛ چیزی حدود ۲ درصد جرم زمین. در نتیجه ماه عمدتاً از مواد زمینی به وجود آمده است. به گفته‌ی ملوش، این ایده زیر پای تمامی تئوری‌های قبلی را خالی می‌کند.

در سال ۲۰۱۵، بار دیگر شواهد بیشتری در تایید فرضیه‌ی برخورد یافت شد. الساندرا ماستروبونو-باتیسی به همراه همکارانش از دانشگاه حیفا شبیه سازی دقیقی از اجسام سرگردان در اوایل تشکیل منظومه‌ی شمسی انجام دادند.

آن‌ها متوجه شدند که اجسامی که در اطراف سیاره‌ها سرگردان بوده‌اند و در نهایت به آن‌ها برخورد می‌کرده‌اند،  بسیار بیشتر از آنچه پیش از این تصور می‌شد، به آن سیاره شبیه بوده‌اند. با محاسبات جدید، شانس شبیه بودن ترکیب ایزوتوپی زمین و تیا از ۱ درصد به ۲۰ درصد افزایش پیدا می‌کند.

۲۰ درصد هنوز هم شانس بالایی نیست، اما احتمال شبیه بودن زمین و تیا را از سطح «معجزه» به «خوش شانسی» می‌رساند که بسیار منطقی‌تر است.

البته استوارت می‌گوید کار تمام نشده است و هنوز هم معضلاتی وجود دارد. بیشتر محققان عقیده دارند راه حل نهایی نسخه‌ای از فرضیه‌ی برخورد عظیم است، اما همچنان به مقداری دستکاری نیاز دارد تا به صورت متقاعد کننده‌ای قضیه‌ی ایزوتوپ‌ها را توضیح بدهد.

مشکل بزرگ در اینجا یافتن یک تئوری است که تحت آن، تمامی ویژگی‌های فعلی زمین و ماه منطقی به نظر برسند. تا وقتی که یک تئوری برای توضیح وضعیت فعلی زمین و ماه، دست به دامان جرمی خاص برای تیا یا زاویه‌ی برخورد بخصوصی شود، نمی‌تواند از گزند انتقاد به دور باشد.

با توجه به تمام آنچه گفته شد، بخش اعظمی از مشکل دانشمندان با نظریات پیدایش ماه این است که بر اساس اکثر آن‌ها، ماه بیش از حد «خاص» است. اما شاید ماه واقعاً حاصل اتفاقاتی با احتمالات بسیار پایین باشد. در این صورت مشکل اصلی خود ما انسان‌ها هستیم که حاضر نیستیم قبول کنیم ماه ما به‌راستی خاص است و بخشی از داستان پیدایش آن متکی به «شانس محض» بوده است.