Jaka jest budowa Księżyca? Czego dowiedzieliśmy się o nim dzięki próbkom z programu Apollo?

W tym artykule:

1. Jak powstał Księżyc?
2. Skład chemiczny Księżyca
3. Wewnętrzna budowa Księżyca
4. Jądro Księżyca
5. Ukształtowanie powierzchni Księżyca
6. Pole magnetyczne i atmosfera Księżyca

Jedyny naturalny satelita Ziemi jest całkiem spory. Jego średnica to prawie 3500 kilometrów, co daje mu piątą pozycję wśród licznych księżyców Układu Słonecznego. Przyspieszenie grawitacyjne na jego powierzchni to około jednej szóstej tego ziemskiego.

Jak powstał Księżyc?

Przed załogowym lądowaniem na Księżycu oraz sprowadzeniu na Ziemię ponad 380 kg próbek księżycowego gruntu do badań, istniały cztery główne hipotezy powstania naszego naturalnego satelity. Były to:

• hipoteza przechwycenia, która sugeruje, że Księżyc był wędrującym ciałem (jak planetoida). Uformował się w innym miejscu Układu Słonecznego i został przechwycony przez grawitację Ziemi, gdy przechodził w jej pobliżu.
• hipoteza akrecji, która zakłada, że Księżyc uformował się wraz z Ziemią w momencie jej powstania.
• hipoteza rozszczepienia, która sugeruje, że Ziemia obracała się tak szybko, iż część materii oderwała się i zaczęła krążyć wokół planety.
• teoria gigantycznego uderzenia, która jest dziś najszerzej akceptowana. Zakłada ona, że Księżyc powstał podczas zderzenia Ziemi z inną małą planetą, mniej więcej wielkości Marsa. Szczątki po tym uderzeniu zebrały się na orbicie wokół Ziemi, tworząc Księżyc.

Skład chemiczny Księżyca

Analiza próbek księżycowych pokazała, że Ziemia i Księżyc wykazują pewne niezwykłe podobieństwa chemiczne i izotopowe. To sugeruje, że mają one powiązaną historię. Gdyby Księżyc powstał w innym miejscu i został przechwycony przez grawitację Ziemi, jego skład chemiczny znacznie by się różnił od ziemskiego. Natomiast gdyby powstał w wyniku oderwania się fragmentu Ziemi, to rodzaj i proporcje minerałów księżycowych pokrywałyby się z ziemskimi. A tak nie jest.

Pod powierzchnią Ziemi są ukryte fragmenty „obcego” świata. To ślad katastrofy sprzed miliardów lat

4,5 mld lat temu nasza planeta zderzyła się z inną. Szczątki tego obcego świata wciąż znajdują się w głębi Ziemi – przekonują naukowcy.

Minerały na Księżycu zawierają mniej wody niż podobne skały na naszej planecie. Za to znaleziono tam znaczne pokłady materiałów, jakie tworzą się w wysokiej temperaturze. Takiej, jaka powstaje na przykład przy zderzeniu. Jest to jeden z argumentów o tym, że w młodą Ziemię uderzyła planeta nazywana przez naukowców Theia. Podczas tej kosmicznej kolizji prawie cała Ziemia i Theia stopiły się i przekształciły w jedno ciało, a niewielka część nowej masy odłączyła się, stając się Księżycem, jaki znamy.

Wewnętrzna budowa Księżyca

Księżyc składa się ze skorupy, płaszcza i jądra. Bogate w żelazo jądro otoczone jest płaszczem w mocno zróżnicowanym składzie chemicznym. Pokrywająca płaszcz skorupa skalna ma grubość dochodzącą do 50 km. Poza trzema głównymi warstwami, występują również warstwy przejściowe.

To zróżnicowanie może wynikać z procesu krystalizacji magmy. Doszło do niego krótko po powstaniu Księżyca, około 4,5 miliarda lat temu. Energia potrzebna do stopienia zewnętrznych warstw prawdopodobnie pochodziła ze wspomnianego już wielkiego zderzenia. Krystalizacji tej magmowej otoczki towarzyszyło powstanie gęstego płaszcza i bogatej w plagioklazy skorupy.

Analizy chemiczne próbek pobranych z powierzchni Księżyca ukazują obecność dużej ilości skał anortozytowych w skorupie, co wspiera teorię istnienia dawnego oceanu magmy. Skorupa ta składa się głównie z tlenu, krzemu, żelaza, wapnia i glinu. Częściowo płynny płaszcz księżycowy przyczynił się do erupcji wulkanicznych, co doprowadziło do powstania bazaltowych mórz. Skład chemiczny tych bazaltów wskazuje na obecność oliwinu, ortopiroksenu i klinopiroksenu.

Płaszcz Księżyca wykazuje większą zawartość żelaza niż jego ziemski odpowiednik. Pewne obszary bazaltu księżycowego zawierają też duże ilości tytanu (w postaci minerału ilmenitu), co sugeruje zróżnicowanie składu chemicznego wewnątrz płaszcza. Pod powierzchnią, na głębokości około 1000 km, zaobserwowano regularne wstrząsy. Prawdopodobnie są one związane z napięciami wynikającymi z ekscentryczności orbity Księżyca.

Jądro Księżyca

Księżyc charakteryzuje się średnią gęstością wynoszącą około 3346,4 kg/m³. To plasuje go na drugim miejscu pod względem gęstości wśród księżyców w całym Układzie Słonecznym (tuż po Io). Jego jądro stałe ma promień około 240 km, a nad nim znajduje się półpłynna warstwa o średnicy 330 km, stanowiąca zaledwie 20 proc. promienia całego Księżyca. To stosunkowo niewielka wartość, biorąc pod uwagę, że u większości planet i księżyców skalnych promień jądra stanowi około 50 proc. całkowitego promienia.

Wewnętrzna część jądra składa się głównie z żelaza. Natomiast w zewnętrznej, płynnej części występują również małe ilości lekkich pierwiastków, takich jak siarka czy tlen.

Ukształtowanie powierzchni Księżyca

Na Księżycu wyróżnia się dwie główne formacje – morza i wyżyny, obie łatwo dostrzegalne z Ziemi. Morza to ciemne obszary, zastygłe po erupcjach bazaltowej lawy. Obejmują oceany, zatoki i jeziora. Wyżyny, czasem zwane górami, to jasne obszary położone wyżej od mórz, pokryte regolitem. Czyli rozdrobnionym pyłem, powstałym w wyniku uderzeń komet, meteorytów i mikrometeoroidów. Regolit na wyżynach bywa kilkukrotnie grubszy niż na obszarach mórz.

Najczęstszymi formami na Księżycu są kratery uderzeniowe. Aż ponad pół miliona z nich ma średnicę przekraczającą kilometr. Basen Biegun Południowy – Aitken to największy krater na Księżycu i jednocześnie jeden z największych w całym Układzie Słonecznym. Jego średnica przekracza 2200 kilometrów. Jego głębokość to aż 13 kilometrów. Dno tego krateru stanowi najniżej położony obszar na obu półkulach Księżyca. Inny znaczący krater to Imbrium, czyli Morze Deszczów, o średnicy około 1120 kilometrów.

Kratery usytuowane na księżycowych biegunach mogą być interesujące z punktu widzenia przyszłej eksploatacji. Na ich dnie może znajdować się lód wodny, chroniony przed promieniowaniem UV, które rozkłada wodę na tlen i wodór.

Dodatkowo na Księżycu można spotkać wulkany tarczowe oraz kopuły wulkaniczne. Stanowią one inne fascynujące cechy powierzchni Księżyca. Przyjmuje się, iż aktywność wulkaniczna na Księżycu trwała od 3,5 miliarda do 1 miliarda lat temu. Jednak nowsze wyniki analiz sugerują, że aktywność tego rodzaju nie skończyła się gwałtownie miliard lat temu. Zamiast tego stopniowo wygasała aż do czasów bliższych niż 50 milionów lat temu.

Pole magnetyczne i atmosfera Księżyca

Jedyny ziemski satelita ma szczątkowe pole magnetyczne. Szczątkowa jest również atmosfera, która jest tak rzadka, że niemal przypomina próżnię. Jej łączna masa wynosi jedynie 104 kilogramy. Jednym ze źródeł jej powstania jest uwalnianie gazów, takich jak radon, które powstają w wyniku rozpadu pierwiastków promieniotwórczych znajdujących się w płaszczu i skorupie księżycowej.

Jak przebiegał kosmiczny wyścig? Najpierw roboty, potem zwierzęta, na końcu ludzie

Historia podboju kosmosu pełna jest różnych nazw i nazwisk. Mercury, Gemini, Apollo - znacie wszystkie te nazwy? A czy mówi wam coś imię Ham?

Dodatkowo bombardowanie mikrometeorytami, oddziaływanie jonów wiatru słonecznego, elektronów i promieniowania słonecznego powoduje oderwanie cząsteczek od powierzchni, prowadząc do ich przejścia w stan gazowy. Te gazy mogą być wtórnie wchłaniane przez regolit z powodu grawitacji lub uciekać w przestrzeń kosmiczną, oddziałując z promieniowaniem słonecznym lub polem magnetycznym wiatru słonecznego, o ile są zjonizowane.

Pierwiastki, takie jak sód (Na) czy potas (K), zostały wykryte w atmosferze księżycowej za pomocą pomiarów spektroskopowych prowadzonych z Ziemi. Dodatkowo spektrometr alfa misji Lunar Prospector zidentyfikował obecność radonu-222 i polonu-210. Misje Apollo za pomocą detektorów zainstalowanych przez astronautów wykryły obecność argonu-40, helu-4, tlenu, metanu, azotu, tlenków węgla.

Już niedługo dowiemy się więcej o naszym naturalnym satelicie. Wszystko za sprawą nowego wyścigu na Księżyc. Obejmuje on plany budowy stacji orbitalnej, a także bazy na powierzchni tego satelity.

Nasz ekspert

Ewelina Zambrzycka-Kościelnicka

Dziennikarka i redaktorka zajmująca się tematyką popularnonaukową. Związana z magazynami portali Gazeta.pl oraz Wp.pl. Współautorka książek „Człowiek istota kosmiczna”, „Kosmiczne wyzwania” i „Odważ się robić wielkie rzeczy”.