Mysterie opgelost: waarom de twee kanten van de maan zo verschillend zijn

Het is alsof je in een watermeloen kunt kijken zonder hem open te snijden. Je kunt zien of hij rijp is, of er grote of kleine zaden in zitten, of er veel of weinig water in zit... en dit alles kun je zien door hem gewoon van buitenaf te bekijken. Dat is precies wat wetenschappers al jarenlang doen, zij het niet met watermeloenen, maar met manen , asteroïden en zelfs hele planeten. Om dit te bereiken maken ze gebruik van de subtiele maar krachtige zwaartekracht. Dankzij die zwaartekracht krijgen ze toegang tot de geheimen die daar verborgen liggen.

Twee recente NASA-onderzoeken, gepubliceerd in ' Nature ' en ' Nature Astronomy ', zijn een uitstekend voorbeeld van hoe de analyse van zwaartekrachtgegevens verzameld door ruimtevaartuigen in een baan om de aarde onze kennis van planetaire structuren revolutioneert. En dat alles zonder dat je erop hoeft te landen. Hoewel de Maan, onze natuurlijke satelliet, en Vesta , een gigantische asteroïde die zich in de hoofdgordel tussen Mars en Jupiter bevindt, heel verschillende hemellichamen zijn, hebben beide onderzoeken een vergelijkbare techniek gebruikt om tot nu toe niet gepubliceerde details over hun interne samenstelling te onthullen.

Voor het maanonderzoek, gepubliceerd in Nature , ontwikkelden onderzoekers een nieuw zwaartekrachtmodel van onze satelliet dat rekening houdt met de kleine variaties in het zwaartekrachtveld van de satelliet gedurende zijn elliptische baan rond de aarde.

Deze schommelingen zorgen ervoor dat de Maan enigszins vervormd raakt door de getijdenkracht die onze planeet uitoefent. Dit verschijnsel staat bekend als 'getijdendeformatie'. Deze subtiele 'flex' van de maan verschaft ons cruciale informatie over de diepe, interne structuur van de maan. Het is alsof je met je hand in een rubberen bal knijpt. Door de druk verandert de vorm. Op vergelijkbare wijze oefent de Aarde een zwaartekracht uit op de Maan , waardoor de Maan zich iets uitrekt en krimpt terwijl hij eromheen draait. De manier waarop de maan reageert op deze druk, met andere woorden hoe de maan vervormt, hangt af van hoe de massa erin verdeeld is. Een stijvere binnenkant zal namelijk minder vervormen dan een flexibelere binnenkant.

Met behulp van hun geavanceerde computermodel hebben de onderzoekers de meest gedetailleerde zwaartekrachtkaart van de maan tot nu toe gemaakt. Een uiterst precieze kaart van de zwaartekracht op de maan, die overigens niet alleen nuttig is voor dit soort wetenschappelijke studies, maar ook een onmisbaar hulpmiddel vormt voor toekomstige ruimtemissies .

Deze prestatie werd mogelijk gemaakt door een grondige analyse van de gegevens die verzameld werden door de GRAIL-missie (Gravity Recovery and Interior Laboratory) van NASA. De twee ruimtesondes van de missie, Ebb en Flow, draaiden van december 2011 tot december 2012 in een baan om de maan, waarbij ze de kleinste variaties in het zwaartekrachtveld met verbazingwekkende precisie maten.

Een van de meest intrigerende bevindingen van dit onderzoek richt zich op de verschillen tussen de zichtbare kant van de Maan (de kant die hij ons altijd laat zien) en de verborgen kant. De eerste wordt gedomineerd door uitgestrekte, donkere vlaktes, ook wel 'maanzeeën' genoemd, die bestaan ​​uit gesmolten gesteente dat miljarden jaren geleden is afgekoeld en gestold. De andere kant is daarentegen veel bergachtiger en ruiger, met weinig 'zeeën'.

Sommige theorieën suggereren dat de oorzaak van deze verschillen het intense vulkanisme op het zichtbare oppervlak zou kunnen zijn. Door dit proces zouden zich in de diepte van de aardmantel radioactieve elementen hebben verzameld, die warmte genereren. Dit wordt door het nieuwe onderzoek bevestigd en is daarmee het sterkste bewijs tot nu toe voor deze hypothese.

"We ontdekten dat de voorkant van de maan meer buigt dan de achterkant ", legt Ryan Park van NASA's Jet Propulsion Laboratory in Zuid-Californië uit, leider van beide onderzoeken. "Dat betekent dat er iets fundamenteel anders is aan de interne structuur van de twee kanten." Toen we de gegevens voor het eerst analyseerden, waren de resultaten zo verrassend dat we het niet konden geloven. Daarom hebben we de berekeningen meerdere malen herhaald om de bevindingen te verifiëren. In totaal is er tien jaar werk aan besteed.

Toen het team van Park hun resultaten vergeleek met andere bestaande modellen, ontdekte het een klein maar significant verschil in de mate van vervorming tussen de twee hemisferen van de maan. De meest waarschijnlijke verklaring is dat de nabije kant bestaat uit materialen die afkomstig zijn uit een warmer deel van de mantel. Dit is bovendien een sterk bewijs voor de vulkanische activiteit die het oppervlak van het zichtbare gezicht 2 tot 3 miljard jaar geleden heeft gevormd.

In het tweede onderzoek, gepubliceerd in Nature Astronomy , pasten de onderzoekers een soortgelijke techniek toe om de rotatie-eigenschappen van Vesta , een hemellichaam dat veel kleiner is dan de maan, te analyseren. Met behulp van radiometrische gegevens van NASA's Deep Space Network en beelden van het Dawn-ruimtevaartuig, dat tussen juli 2011 en september 2012 om de asteroïde draaide, ontdekte het team iets verrassends over de interne structuur van de asteroïde.

Tot nu toe stelde de heersende theorie dat Vesta, net als aardse planeten zoals de onze, duidelijk gedefinieerde interne lagen zou hebben: een rotsachtige korst, een mantel en een dichte ijzeren kern. Uit de nieuwe bevindingen blijkt echter dat het inwendige van Vesta veel gelijkmatiger zou kunnen zijn , met heel weinig of zelfs geen ijzeren kern.

Om te begrijpen hoe men tot deze conclusie is gekomen, is het nodig om het concept van 'traagheidsmoment' te begrijpen. Stel je een schaatsster voor die rondjes draait met haar armen uitgestrekt. Als je ze oppakt totdat ze aan je lichaam blijven plakken, gaat je rotatiesnelheid omhoog. Dit komt doordat het traagheidsmoment afneemt naarmate de massa (de armen) de rotatieas nadert. Op vergelijkbare wijze kunnen wetenschappers het traagheidsmoment van Vesta bepalen door de manier te meten waarop Vesta 'wiebelt' terwijl hij ronddraait. Deze eigenschap is erg gevoelig voor de massaverdeling in de planeet. Een laag traagheidsmoment zou duiden op een concentratie van massa dichter bij het centrum, terwijl een hoog traagheidsmoment zou wijzen op een gelijkmatigere verdeling.

Metingen door Parks team lieten zien dat Vesta aan de tweede mogelijkheid voldoet. Deze optie duidt op een homogenere massaverdeling en een zeer kleine, of zelfs ontbrekende, dichte kern. De ontdekking zet vraagtekens bij eerdere theorieën over het ontstaan ​​van Vesta .

Zwaartekracht zorgt er doorgaans voor dat zwaardere elementen in de loop van de tijd naar het middelpunt van een planetair lichaam zakken. Dit gebeurde bijvoorbeeld met de vloeibare ijzeren kern van de aarde. De homogenere structuur van Vesta zou erop kunnen wijzen dat er nooit sprake is geweest van afzonderlijke lagen of dat de maan is ontstaan ​​uit fragmenten van een ander hemellichaam na een enorme inslag.

Het is belangrijk om op te merken dat deze aanpak, waarbij zwaartekrachtgegevens worden gebruikt om de interne structuur van hemellichamen af ​​te leiden, niet uniek is voor de Maan en Vesta. In 2016 paste Ryan Park dezelfde techniek toe op gegevens van de Dawn-missie om Ceres te bestuderen, de dwergplaneet die zich eveneens in de asteroïdengordel bevindt. De resultaten van dat onderzoek duidden op een gedeeltelijk gedifferentieerd interieur van Ceres.

Onlangs hebben Park en zijn team deze methodologie uitgebreid naar Io, de vulkanische maan van Jupiter. Aan de hand van gegevens die NASA's Juno en Galileo verzamelden tijdens hun flybys langs Jupiter, en door deze te combineren met observaties vanaf de grond, konden wetenschappers subtiele veranderingen in de zwaartekracht van Io meten terwijl de planeet om Jupiter draait, een enorme planeet die een krachtige getijdenwerking uitoefent. Uit hun bevindingen bleek dat het onwaarschijnlijk is dat Io een wereldwijde magma-oceaan heeft, een hypothese die eerder wel werd overwogen.

"Onze techniek", zegt Park, "is niet beperkt tot Io, Ceres, Vesta of de Maan. Er zijn in de toekomst veel mogelijkheden om deze toe te passen op de studie van het binnenste van fascinerende planetaire lichamen in het zonnestelsel."