Månen är 40 miljoner år äldre än man trott, visar studie av månkristaller

För mer än 4 miljarder år sedan, när solsystemet fortfarande var ungt och jorden fortfarande växte, kraschade ett gigantiskt objekt i storlek med Mars in i jorden. Den största biten som bröts loss från den tidiga jorden bildade vår måne. Men exakt när detta hände har förblivit ett mysterium.

I en ny studie i tidskriften Geochemical Perspectives Letters har forskare använt kristaller som Apollo-astronauterna förde med sig från månen 1972 för att fastställa tidpunkten för månens bildande. Upptäckten innebär att månens ålder förskjuts med 40 miljoner år, till minst 4,46 miljarder år.

”Dessa kristaller är de äldsta kända fasta ämnen som bildades efter det gigantiska nedslaget. Och eftersom vi vet hur gamla dessa kristaller är fungerar de som ett ankare för månens kronologi”, säger Philipp Heck, Field Museums Robert A. Pritzker Curator for Meteoritics and Polar Studies och Senior Director för Negaunee Interactive Research Center, professor vid University of Chicago, och studiens huvudförfattare.

Upptäckten är ett resultat av Hecks arbete med studiens huvudförfattare, Jennika Greer, när hon var doktorand vid Field Museum och University of Chicago. ”Vi kontaktades av våra medförfattare, Bidong Zhang och Audrey Bouvier, som behövde en nanoskalig titt på dessa prover för att kunna förstå dem fullt ut”, säger Greer, som nu är forskningsassistent vid University of Glasgow.

Det prov av månstoft som användes i studien togs med tillbaka av Apollo 17-astronauterna under det sista bemannade uppdraget till månen 1972. Detta damm innehåller små kristaller som bildades för miljarder år sedan. Dessa kristaller är ett tydligt tecken på när månen måste ha bildats.

Huvudförfattaren Jennika Greer arbetar med atomsonden. Kredit: Dieter Isheim, Northwestern.
Huvudförfattaren Jennika Greer arbetar med atomsonden. Kredit: Dieter Isheim, Northwestern.

När det Marsstora objektet träffade jorden och bildade månen, smälte energin från kollisionen den sten som så småningom blev månens yta. ”När ytan var smält på det sättet kunde zirkonkristaller inte bildas och överleva. Så eventuella kristaller på månens yta måste ha bildats efter att månens magmahav svalnat”, säger Heck. ”Annars skulle de ha smält och deras kemiska signaturer skulle ha raderats.”

Eftersom kristallerna måste ha bildats efter att magmaoceanen svalnat, skulle en bestämning av zirkonkristallernas ålder avslöja månens lägsta möjliga ålder. En tidigare studie av medförfattaren Bidong Zhang har föreslagit denna ålder, men denna senaste studie markerar den första användningen av en analytisk metod som kallas atomsondstomografi som ”spikade fast” åldern på denna äldsta kända månkristall.

”I atomsondstomografi börjar vi med att vässa en bit av månprovet till en mycket vass spets med hjälp av ett fokuserat jonstrålemikroskop, nästan som en mycket avancerad pennvässare”, säger Greer. ”Sedan använder vi UV-lasrar för att förånga atomer från spetsens yta. Atomerna färdas genom en masspektrometer och hur snabbt de rör sig säger oss hur tunga de är, vilket i sin tur säger oss vad de är gjorda av.”

Ett zirkonkorn från månen under ett mikroskop. Kredit: Jennika Greer.
Ett zirkonkorn från månen under ett mikroskop. Kredit: Jennika Greer.

Denna atom-för-atom-analys, som utfördes med hjälp av instrument vid Northwestern University, visade hur många av atomerna i zirkonkristallerna som hade genomgått radioaktivt sönderfall.

När en atom har en instabil konfiguration av protoner och neutroner i sin kärna genomgår den sönderfall, varvid några av dessa protoner och neutroner försvinner och omvandlas till olika grundämnen. Till exempel sönderfaller uran till bly. Forskarna har fastställt hur lång tid det tar för denna process att äga rum, och genom att titta på andelen av olika uran- och blyatomer (så kallade isotoper) i ett prov kan de avgöra hur gammalt det är.

”Radiometrisk datering fungerar lite som ett timglas”, säger Heck. ”I ett timglas rinner sand från en glaskupa till en annan, och tidens gång indikeras av att sand ansamlas i den nedre glaskupan. Radiometrisk datering fungerar på samma sätt genom att man räknar antalet moderatomer och antalet dotteratomer som de har omvandlats till. Tidsförloppet kan sedan beräknas eftersom omvandlingshastigheten är känd.”

Den andel blyisotoper som forskarna fann visade att provet var ca 4,46 miljarder år gammalt. Därför måste månen vara minst lika gammal.

Den mikroskopiska slipade spetsen av en månkristall. Kredit: Jennika Greer
Den mikroskopiska slipade spetsen av en månkristall. Kredit: Jennika Greer

”Det är fantastiskt att kunna bevisa att stenen du håller i handen är den äldsta delen av månen som vi har hittat hittills. Det är en ankarpunkt för så många frågor om jorden. När man vet hur gammalt något är kan man bättre förstå vad som har hänt med det under dess historia”, säger Greer.

Det är viktigt att veta när månen bildades, säger Heck, eftersom ”månen är en viktig partner i vårt planetsystem – den stabiliserar jordens rotationsaxel, den är anledningen till att det finns 24 timmar på ett dygn, den är anledningen till att vi har tidvatten. Utan månen skulle livet på jorden se annorlunda ut. Det är en del av vårt naturliga system som vi vill förstå bättre, och vår studie ger en liten pusselbit i hela den bilden.”

Jennika Greer vid University of Glasgow, B. Zhang vid University of California, Los Angeles, D. Isheim och D.N. Seidman vid Northwestern University, A. Bouvier vid Bayreuth University och Philipp Heck vid Field Museum har bidragit till denna studie.

More information: J Greer et al, 4.46 Ga zircons anchor chronology of lunar magma ocean, Geochemical Perspectives Letters (2023). DOI: 10.7185/geochemlet.2334

Bli först med att kommentera

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte att publiceras.