איך נוצר הירח?

 

כדור הארץ נוצר לפני כ-4.5 מיליארד שנים, ומדענים מעריכים שהירח נוצר זמן קצר אחריו, כמה עשרות מיליוני שנים בלבד. השאלה כיצד בדיוק הוא נוצר לא קיבלה תשובה מלאה עדיין. עם השנים הועלו כמה תיאוריות אך לא סיפקו הסברים מניחים את הדעת, ורובן נשללו בסופו של דבר. אלה התיאוריות העיקריות:

על פי התיאוריה הזו, הירח נוצר במקום אחר ונלכד בכוח הכבידה של כדור הארץ לאחר שנקלע באקראי לסביבתו. הסבירות שגרם שמיים בדיוק בגודל המתאים ייקלע בדיוק לאזור המתאים נמוכה מאוד, ונראה כי דרוש גורם שלישי כלשהו לסילוק האנרגיה הקינטית של הירח שהביאה אותו לכאן. התיאוריה הזו גם אינה עולה בקנה אחד עם הדמיון הרב בין כדור הארץ לירח בהרכב של איזוטופים שונים, המרמז על מוצא משותף של שני הגופים.

את התיאוריה הזו הציע בסוף המאה ה-19 האסטרונום הבריטי ג'ורג' דרווין, בנו של אבי תורת האבולוציה. הוא סבר שבגלל מהירות הסיבוב של כדור הארץ ניתק ממנו גוש סלע גדול והותיר את החלל שהוא כיום האוקיינוס השקט. לו הייתה התיאוריה הזו נכונה, היה על כדור הארץ להסתובב במהירות גבוהה בהרבה ממהירותו הנוכחית. נוסף על כך, הירח היה צריך לנוע במסלול המקיף את קו המשווה. התיאוריה הזו אינה מתיישבת גם עם הידוע לנו על נדידת היבשות, ועם העובדה שהלוחות המרכיבים את קרקעית האוקיינוס השקט צעירים הרבה יותר מהירח.

על פי תיאוריה זו, הירח וכדור הארץ נוצרו יחד מאותו ענן חומר, או שהירח נוצר מעט מאוחר יותר מחיבור של שאריות הענן שנעו במסלול סביב כדור הארץ. התיאוריה הזו אינה מסבירה הבדלים בהרכב הכימי בין כדור הארץ לירח, כמו העובדה שבירח יש פחות ברזל מאשר בכדור הארץ. התיאוריה הזו גם אינה עולה בקנה אחד עם מהירות הסיבוב של הירח סביב כדור הארץ.

ההתנגשות היא התיאוריה המקובלת כיום. על פי גישה זו, גוף שגודלו דומה לזה של מאדים התנגש בכדור הארץ הצעיר. כתוצאה מההתנגשות נהדף חלק מכדור הארץ לחלל, והתמזג עם חלק מהגוף המתנגש. שני החלקים יצרו את הירח. נוסף על כך, ייתכן שחלק אחר מהגוף המתנגש נטמע בכדור הארץ. מדענים העניקו לגוף שהתנגש בכדור הארץ את השם ת'יאה – זו אחת הטיטאנים במיתולוגיה היוונית, ואמה של סלנה, אלת הירח. תיאוריה זו פותרת בעיות רבות של התיאוריות הקודמות, אבל גם היא לוקה בבעיות משלה. למשל, העובדה שהסבירות להתנגשות כזו – של גוף גדול למדי, במהירות נמוכה יחסית ובזווית מדויקת – זעירה ממש.

כדי לבדוק את התיאוריה, בחנו מדענים את הרכב האיזוטופים של חומרים שונים על הירח. איזוטופים הם צורונים שונים של יסוד, הזהים בתכונות הכימיות ונבדלים זה מזה רק במסה שלהם בגלל מספר שונה של ניטרונים בגרעין. לדוגמה, על כדור הארץ 99.6 אחוז מאטומי החמצן הם חמצן 16 (¹⁶O, שבגרעינו שמונה ניטרונים), 0.2 אחוז הם חמצן 18 (¹⁸O, בעל 10 ניטרונים) ו-0.04 אחוז חמצן 17 (¹⁷O, תשעה ניטרונים). כשבחנו את התחמוצות בדגימות אבנים שהביאו מהירח האסטרונאוטים של חלליות אפולו, גילו שהרכב החמצן שם זהה להרכבו על כדור הארץ.

ממצאים אלה מחזקים את ההשערה בדבר מוצאם המשותף של כדור הארץ ושל הירח, אבל לא בהכרח מתיישבים עם מודל ההתנגשות שלפיו הירח אמור להיות מורכב גם מחלקים של ת'יאה. הסבירות שהרכב האיזוטופים של חמצן יהיה זהה על גרם שמימי אחר נמוכה ביותר, במיוחד אם הוא נוצר באזור מרוחק. אחד ההסברים האפשריים הוא שההתנגשות הייתה כה עזה, ויצרה חום כה רב, עד שחלקים מת'יאה התערבבו עם כדור הארץ ערבוב מושלם, שנשמר גם בחלקיהם שיצרו את הירח. ממצאים באיזוטופים של יסודות נוספים, כמו טונגסטן וטיטניום, חיזקו את ההשערה הזאת.

באחרונה פיתחו חוקרים מישראל גרסה חדשה לתיאוריית ההתנגשות. פרופ' חגי פרץ מהטכניון, פרופ' עודד אהרונסון ממכון ויצמן למדע ותלמידת המחקר שלו רלוקה רופו (Rufu) העלו השערה שלא גוף אחד גדול התנגש בכדור הארץ, אלא כמה וכמה גופים קטנים, מאית עד עשירית מכדור הארץ, שכנראה היו נפוצים מאוד במערכת השמש הצעירה. לדברי החוקרים, התנגשויות עם גופים קטנים במהירות גבוהה היו יכולות להעיף לשמיים כמויות גדולות של סלעים ושל אבק, וליצור דיסקות ספיחה – ענני חומר ואבק הנעים במסלול סביב כדור הארץ. חומרי הדיסקה התלכדו ויצרו ירח קטן (moonlet). התנגשויות חוזרות גרמו ליצירת ירחים קטנים נוספים בדרך דומה, ובסופו של דבר הם התמזגו זה עם זה עד ליצירת הירח המוכר לנו.

 

כדי לבחון את ההשערה, הריצו החוקרים הדמיות (סימולציות) של תרחישים כאלה במערך מחשבים רב עוצמה, המסוגל לשקלל את הנתונים הרבים. בסך הכול הם בחנו 864 תרחישים של התנגשויות גופים קטנים בכדור הארץ. כל הדמיה בדקה התנגשות אחת, שנבדלה מהאחרות בפרמטרים שונים כמו גודל הגופים, מהירותם, זווית ההתנגשות ומהירות הסיבוב של כדור הארץ. מתוך התרחישים האלה, 750 סימולציות הסתיימו ביצירת דיסקת ספיחה סביב כדור הארץ, בדרך כלל במסה המאפשרת התחברות של החומר ליצירת ירח קטן.

הירחים הקטנים שנוצרו מקיפים את כדור הארץ, אך מתרחקים ממנו במסלול ספירלי ובמהירות יורדת והולכת. ההדמיות הראו שאם ההתנגשות הבאה מתרחשת כשהירח הקודם כבר מספיק רחוק מכדור הארץ, הכבידה שלו אינה משפיעה על יצירתה של דיסקת ספיחה חדשה, המאפשרת התגבשות של עוד ירח קטן. גם הוא מתרחק במסלול ספירלי, ובסופו של דבר, אם הוא קרוב מספיק לירח שקדם לו, הם עשויים להתנגש ולהתמזג לגוף אחד.

 

כדי לנסות להעריך עד כמה רצף של התנגשויות יחידות עם גופים קטנים יכול להניב בסופו של דבר ירח כמו שלנו, עשו החוקרים הדמיות נוספות שבהן השתמשו בתוצאות ההדמיות הקודמות. המחשב בחר באקראי תוצאות של 10, 20 או 30 סימולציות ובחן כמה מהן מסתיימות בתנאים המאפשרים התפתחות ירח. במאמר בכתב העת Nature Geoscience, החוקרים מדווחים כי בהדמיות של התנגשות עם גוף גדול, רק אחוז או שניים מהתרחישים יוצרים תנאים להתפתחות הירח. אך בהדמיות של סדרת התנגשויות, המספר מזנק לעשרות אחוזים, תלוי כמובן במאפיינים של כל התנגשות.

 

על פי המודל, החומר שמרכיב את דיסקת הספיחה תלוי בתנאי ההתנגשות בין כדור הארץ לגוף הפוגע בו. בתנאים מסוימים רוב החומר שיועף לחלל יהיה סלעים מכדור הארץ, ובתנאים אחרים חלק גדול מהחומר בדיסקה יגיע מהגוף המתנגש עצמו. אחוז לא מבוטל של ההדמיות הניב בסופו של דבר דיסקות ספיחה וירחים הדומים בהרכבם מאוד לכדור הארץ, נתון המתיישב עם הממצאים בדבר הרכבי האיזוטופים הדומים מאוד של שני הגופים.

גם ההדמיות המסתיימות ביצירת ירחים קטנים אינן מובילות בהכרח לתרחיש של יצירת ירח גדול. בהדמיות רבות ירחים כאלה התנגשו שוב עם כדור הארץ, או התרחקו לחלל, ולאו דווקא התמזגו. סבירות גבוהה להתמזגות ירחים התקבלה בסימולציות שבהן הירח הצעיר גדול יותר מקודמו, ולכן הוא משיג אותו בסופו של דבר ומתמזג עמו.

 

המחקר של פרץ, אהרונסון ורופו אינו מספק תשובה סופית לשאלה הגדולה כיצד נוצר הירח. אבל המודל שהם מציעים על פי הדמיות וחישובי הסתברויות מציג אפשרות סבירה שהירח אכן נוצר בסדרת התנגשויות של כדור הארץ הצעיר עם אסטרואידים גדולים, והגיע לגודלו הסופי כ-60 עד 100 מיליון שנים אחרי יצירת כדור הארץ. כעת מתכוונים החוקרים לבחור את התרחישים הסבירים ביותר מבין ההדמיות הרבות, ולנסות לפתח מודל שיספק את ההסבר הטוב ביותר להיווצרות הירח.

 

צפו בסרטון של מכון ויצמן למדע, המסביר את התיאוריה החדשה (באנגלית):