Ongeveer 4,5 miljard jaar geleden onderging de jonge Aarde een van de meest dramatische gebeurtenissen in zijn geschiedenis: een kolossale botsing met een protoplanet ter grootte van Mars, die wetenschappers Theia hebben genoemd. Van deze titaneske inslag zijn niet alle details bekend, maar één ding is zeker: de botsing beïnvloedde ons planeet diepgaand en gaf oorsprong aan de Maan, de metgezel die sindsdien de evolutie van onze Aarde volgt.
Het reconstrueren van de identiteit van Theia is geen gemakkelijke opgave. Het hemellichaam werd volledig vernietigd bij de inslag en wat er nu over is, zijn slechts de chemische sporen die in de Aarde en de Maan zijn afgedrukt. Deze “handtekeningen” zijn het onderwerp van een nieuwe studie van het Max Planck Institute for Solar System Research (MPS) en de Universiteit van Chicago, die heeft geprobeerd de oorsprong en samenstelling van Theia te achterhalen met een ongekend verfijnde benadering.
“De chemische samenstelling van een lichaam bewaart de geschiedenis van zijn vorming en geeft ook aan waar het vandaan komt,” legt Thorsten Kleine, directeur van het MPS en co-auteur van de studie, uit. Bijzonder waardevolle aanwijzingen komen vooral van isotopen, dat zijn versies van hetzelfde element met een ander aantal neutronen. In het oude zonnestelsel waren isotopen niet gelijkmatig verdeeld: in de meer interne gebieden heersten bepaalde verhoudingen, terwijl in de uiterste randen andere combinaties dominant waren. De “isotopische mix” is in feite een oorsprongstempel.
Het team heeft met ongekende precisie de verhoudingen van verschillende isotopen van ijzer in 15 aardmonsters en zes maankliffen, teruggebracht naar de Aarde door de Apollo-missies, gemeten. De analyses bevestigen wat al bekend was voor andere elementen zoals chroom, calcium, titanium en zirkonium: Aarde en Maan zijn isotopisch niet te onderscheiden. Een zulk nauwe chemische band versterkt het idee dat de Maan is ontstaan uit een vrijwel totale fusie van het materiaal van de twee betrokken lichamen.
Desondanks is de extreme gelijkenis op zichzelf niet voldoende om de natuur van Theia volledig te reconstrueren, omdat verschillende modellen van de inslag – sommige “gemengder” dan andere – hetzelfde resultaat zouden kunnen opleveren.
Om verder te gaan, hebben de onderzoekers een soort “planetaire reverse engineering” toegepast: op basis van de isotopische verhoudingen die vandaag de dag worden waargenomen, hebben ze berekend welke combinaties van het materiaal van Theia en de jonge Aarde de huidige configuratie zouden kunnen hebben gegenereerd. De studie onderzocht niet alleen ijzer, maar ook andere essentiële elementen zoals chroom, molybdeen en zirkonium, elk nuttig om verschillende fasen van de vorming van de planeet te reconstrueren. Bijvoorbeeld, elementen zoals ijzer en molybdeen zijn in het verleden naar het centrum van de proto-Aarde gezakt, wat heeft bijgedragen aan de vorming van de kern, waardoor de mantel relatief arm bleef aan deze metalen.
De ijzer die we vandaag in de mantel waarnemen, moet daarom later zijn gekomen, waarschijnlijk met Theia. Aan de andere kant vertellen elementen zoals zirkonium, die niet naar de kern zakken, over een breder tijdsbestek van de aardse geschiedenis.
Bij het analyseren van de mogelijke scenario’s hebben de auteurs van de studie de meest onwaarschijnlijke combinaties verworpen. “Het meest overtuigende scenario,” zegt Timo Hopp, de eerste auteur, “is dat zowel de vroege Aarde als Theia zich in het interne zonnestelsel hebben gevormd, waarschijnlijk in gebieden dicht bij elkaar.” Dit komt overeen met de steeds sterker ondersteunde idee dat rotsachtige planeten zijn samengesteld uit botsingen tussen lichamen die in dezelfde regio zijn ontstaan.
Echter, er is een verrassend element: terwijl de samenstelling van de vroege Aarde kan worden beschreven als een combinatie van reeds bekende meteorieten – die als referentie worden gebruikt omdat ze de “bouwstenen” van de planetenvorming vertegenwoordigen – lijkt de samenstelling van Theia ook materiaal te bevatten dat niet volledig kan worden gekoppeld aan een van de huidige meteorietfamilies. Volgens de onderzoekers heeft dit onbekende materiaal een nog meer interne oorsprong dan de baan van de Aarde. Met andere woorden, Theia zou zich dichter bij de Zon hebben gevormd en pas later naar het gebied zijn verplaatst waar de Aarde zich bevond.
In de afgelopen jaren hebben andere onderzoeken ook de hypothese geopperd dat enorme structuren in de aardmantel – de zogenaamde LLSVP’s, gebieden met lage snelheid van seismische golven – mogelijk diepe resten zijn van materiaal van Theia dat de inslag heeft overleefd. Het is een nog te bespreken hypothese, maar getuigt ervan hoe de “handtekening” van dat cataclysme waarschijnlijk nog steeds in de ingewanden van onze planeet is gegraveerd.
Het beeld dat uit de studie naar voren komt, is dat van een jonge, dynamische en chaotische zonnestelsel, waarin titaneske botsingen eerder regel dan uitzondering waren. De inslag met Theia was niet zomaar een kosmische catastrofe: het was het evenement dat de mogelijkheid van het bestaan van de Maan zelf mogelijk maakte, samen met vele voorwaarden die de ontwikkeling van leven op Aarde honderden miljoenen jaren later mogelijk hebben gemaakt.
