di Marco Marchetti
INTRODUZIONE
La Luna, data la sua vicinanza, è sicuramente il corpo celeste più osservato, fotografato e studiato.
L’incredibile varietà di particolari della sua superficie ha affascinato da quasi quattrocento anni tutti coloro che l’hanno osservata con un qualsiasi telescopio. Infatti le più imponenti catene montuose (come le Alpi e gli Appennini lunari) e i più grandi crateri (come Archimede) sono già visibili con i cannocchiali più modesti mentre la visione con strumenti di media potenza è addiritura mozzafiato.
Inoltre la Luna è l’unico corpo (con l’ovvia esclusione della Terra) sul quale l’uomo ha posato i propri piedi e più di trent’anni di studi su alcuni dei 382 chilogrammi di rocce lunari trasportate a Terra dalle sei missioni Apollo hanno permesso di fare luce su molti aspetti della storia e dell’evoluzione del nostro satellite e anche della Terra.
Eppure, fino a non molti anni fa, un grande mistero circondava la Luna; infatti non esisteva nessuna teoria soddisfacente che ne spiegasse l’origine. Pare che un astronomo, in preda alla disperazione e frustrazione più totali, abbia una volta dichiarato: "Se consideriamo le varie teorie sull’origine della Luna e ci rendiamo conto di quanto poco convincenti esse siano, l’unica conclusione a cui potremmo arrivare è che la Luna semplicemente non esiste".
E invece la Luna esiste, eccome, e su questo punto direi che i dubbi sono veramente pochi; da quattro miliardi e mezzo di anni la Luna gira attorno alla Terra, illumina le notti del nostro pianeta, attira a sé le masse oceaniche provocando le maree, alimenta paure e superstizioni, disturba la pesca delle anguille (come sostengono alcuni), in fase crescente nuoce all’imbottigliamento del vino (come sostengono altri) e, saltuariamente, frapponendosi fra il Sole e la Terra causa il fenomeno più imponente, suggestivo e maestoso della natura: l’eclisse totale di Sole.
Solo nel 1984 è stata proposta una teoria molto interessante, affascinante e soprattutto convincente sulla sua nascita; questa teoria ha subito fatto breccia fra gli astronomi e oggi è quella di gran lunga più accreditata.
IL PIANETA DOPPIO
La Luna è l’unico satellite naturale della Terra. La prima determinazione della sua distanza risale al 150 a.C. da parte del grande astronomo greco Ipparco di Nicea (190-120 a.C.); Ipparco, grazie ad un sistema trigonometrico, trovò un valore pari a 60 volte il raggio terrestre.
Prima di lui un altro grande scienziato greco, Eratostene di Cirene (276-196 a.C.), aveva calcolato con grande precisione la lunghezza del meridiano terrestre, sempre servendosi di un semplicissimo ma altrettanto ingegnoso metodo geometrico; di conseguenza la distanza della Luna era già nota agli astronomi greci del II secolo a.C.
Le moderne misurazioni hanno solamente ritoccato questi primi valori e oggi noi sappiamo che la Luna dista mediamente dalla Terra 384.380 chilometri; nota la distanza e le dimensioni apparenti in cielo risulta che la Luna ha un diametro pari a 3.480 chilometri. La sua massa, calcolata con metodi gravitazionali in tempi molto più recenti, risulta essere 1/80 di quella terrestre.
Da una prima analisi di questi dati emerge un fatto abbastanza curioso: la Luna è un satellite molto grande rispetto al pianeta attorno al quale orbita; infatti le dimensioni della Luna sono dello stesso ordine di grandezza di quelle della Terra. Il sistema Terra-Luna può dunque essere considerato un pianeta doppio.
Questo è un fatto sul quale occorre meditare. Da una veloce indagine sui pianeti del sistema solare notiamo che Mercurio e Venere non hanno satelliti, Marte ne possiede due molto piccoli (probabilmente asteroidi catturati) mentre i quattro pianeti giganti possiedono decine di satelliti, tutti però molto piccoli se confrontati con i loro pianeti; infine nelle remote profondità del sistema solare troviamo l’unico altro esempio di pianeta doppio: il sistema Plutone-Caronte. Però il paragone con il sistema Terra-Luna non è molto appropriato poiché Plutone e il suo satellite Caronte sono corpi completamente diversi dalla Terra e dalla Luna, soprattutto per quanto riguarda le dimensioni; infatti Plutone è un pianeta minuscolo e gli astronomi per lungo tempo sono stati indecisi se considerarlo un pianeta a tutti gli effetti oppure un asteroide molto grande.
Alla luce delle precedenti considerazioni appare evidente che il sistema Terra-Luna è un sistema davvero insolito.
LE PRIME TEORIE
Una delle prime ipotesi riguardante l’origine della Luna la fornisce la Bibbia. Nel quarto giorno della Creazione, vi si legge, Dio disse: «“Vi siano luminari nel firmamento del cielo, per separare il giorno dalla notte, e servano da segni per le ricorrenze, per i giorni e per gli anni, e servano da luminari nel firmamento del cielo per far luce sulla Terra”. E così avvenne: Dio fece i due luminari maggiori, il luminare grande per dominare il giorno e il luminare piccolo per dominare la notte e le stelle.» (Genesi, 1, 14-16).
Uno dei primi scienziati che cercò di spiegare l’origine della Terra e conseguentemente anche della Luna senza ricorrere al soprannaturale fu Georges de Buffon (1707-1788), un naturalista francese. Secondo Buffon una grossa cometa era entrata in collisione con il Sole; il gigantesco urto aveva strappato al Sole e scagliato nello spazio parte della sua materia che in seguito si era raffreddata e condensata dando origine alla Terra e agli altri pianeti. Sempre secondo Buffon la Luna era nata nello stesso modo: era stata strappata alla Terra così come la Terra era stata strappata al Sole.
Oggi sappiamo che questa teoria sulla nascita e l’evoluzione del sistema solare è fondamentalmente sbagliata; eppure, pur muovendosi in un contesto completamente errato, per quanto riguarda la nascita della Luna Buffon si era avvicinato moltissimo alla verità.
NASCITA DEL SISTEMA SOLARE
Le moderne teorie affermano che il sistema solare si formò a partire dalla condensazione di una gigantesca nube di polveri e gas in un’epoca che risale a quattro miliardi e seicento milioni di anni fa. Questa nube, rimasta inerte fino a quel momento, cominciò a collassare probabilmente sotto l’effetto dell’onda d’urto innescata dall’esplosione di una vicina supernova (nota 1).
Il materiale presente nella parte centrale della nube contribuì a formare il neonato Sole e, attorno ad esso, venne a formarsi un ampio involucro di polveri e gas; analoghi involucri sono stati scoperti intorno ad alcune stelle vicine come Vega e Beta Pictoris.
È stato dimostrato che all’interno di un involucro del genere è possibile la formazione di vortici più o meno grandi; questi vortici favoriscono la condensazione della materia circostante e la conseguente formazione dei cosiddetti ‘planetesimi’ (piccoli pianeti). Infine a partire da collisioni fra planetesimi e conseguenti fenomeni di cannibalismo (i planetesimi più grandi inglobarono quelli più piccoli) si formarono i pianeti come noi li conosciamo.
LA FACCENDA SI COMPLICA
In questo scenario le teorie classiche proposte per spiegare l’origine della Luna erano sostanzialmente tre:
Nessuna di queste teorie riesce però a reggere il confronto con i dati sperimentali. Vediamo perché.
Teoria della cattura.
Secondo questa teoria la Luna si sarebbe formata in un’altra zona del sistema solare e sarebbe poi stata catturata dalla gravità terrestre. Un evento del genere è, in linea di principio, possibile ma è estremamente improbabile. Infatti se un corpo delle dimensioni della Luna si fosse trovato a passare così vicino alla Terra avrebbe avuto maggiori possibilità di scontrarsi con essa oppure di ricevere una poderosa spinta gravitazionale che lo avrebbe indotto ad allontanarsi per sempre dal nostro pianeta lungo una traiettoria iperbolica. Le probabilità che l’orbita della Terra e quella della Luna fossero predisposte in modo tale da permettere una cattura sono talmente basse che questa teoria era stata quasi subito scartata dalla maggioranza degli astronomi.
Il programma Apollo ha inferto a questa teoria il colpo di grazia; l’analisi dei campioni lunari ha permesso di scoprire che la Terra e la Luna contengono quantità uguali dei vari isotopi (nota 2) dell’ossigeno, indice di una forte affinità fra i due corpi. Se la Luna si fosse formata altrove le percentuali isotopiche dell’ossigeno dovrebbero essere diverse da quelle terrestri.
Teoria della nascita contemporanea.
Questa teoria afferma che la Terra e la Luna hanno avuto una origine comune a partire da due distinti vortici. Se così fosse la Terra e la Luna dovrebbero avere la stessa composizione mentre invece noi sappiamo che la Luna è mediamente molto meno densa del nostro pianeta; in particolare sembra essere molto piccolo o addiritura assente l’analogo del nucleo di ferro presente nel centro della Terra. Non si capisce, di conseguenza, come mai il ferro è finito tutto da una parte e non dall’altra.
Teoria della fissione.
Questa teoria era considerata quella più credibile e affidabile ed è ancora sostenuta e difesa da alcuni astronomi. Questa ipotesi fu proposta per la prima volta dall’astronomo inglese George Howard Darwin (1845-1912), secondo dei dieci figli di Charles Darwin (1809-1882) padre della moderna teoria dell’evoluzione naturale.
È noto che, a causa di un curioso effetto gravitazionale (nota 3), la Luna si allontana progressivamente dalla Terra e contemporaneamente la velocità di rotazione del nostro pianeta diminuisce con conseguente aumento della durata del giorno. Immaginiamo adesso di invertire il corso del tempo e di tornare gradualmente nel passato; vedremo, così, una Luna sempre più vicina e, nello stesso tempo, una Terra che ruota su se stessa sempre più velocemente fino al punto in cui Terra e Luna formano un unico corpo. La teoria della fissione afferma che la Luna si sarebbe staccata dalla Terra per effetto della forza centrifuga generata dalla forte velocità di rotazione del nostro pianeta all’alba dei tempi.
Questa teoria spiega molto bene come mai la Luna è mediamente meno densa della Terra; infatti, secondo la teoria, la Luna si sarebbe formata con materiali provenienti dagli strati superficiali della Terra che sono notoriamente meno densi di quelli presenti nel nucleo (nota 4).
La teoria della fissione, però, presenta una grossissima difficoltà. Infatti, per potere espellere in quel modo la Luna, la Terra avrebbe dovuto avere una altissima velocità di rotazione e compiere un giro su se stessa ogni due ore e mezza, un valore decisamente troppo piccolo; nessuno è riuscito ad immaginare un meccanismo che avesse consentito alla Terra primordiale di ruotare così in fretta (nota 5).
Anche in questo caso le missioni Apollo hanno contribuito a smantellare questa teoria.
Se la Luna anticamente faceva parte della Terra le rocce lunari dovrebbero avere la stessa composizione chimica di quelle terrestri appartenenti alla crosta e al mantello. Abbiamo visto in precedenza una notevolissima analogia per quanto riguarda gli isotopi dell’ossigeno (e ciò è sicuramente indice di una certa correlazione fra i due corpi) ma le analogie finiscono qui. Sulla base delle analisi compiute sui materiali lunari si è scoperto che la composizione chimica delle rocce lunari è completamente diversa da quella delle rocce terrestri.
LA SOLUZIONE ?
Se tre teorie non sono sufficienti per risolvere un problema occorre cercarne una quarta e verificare che abbia buone probabilità di essere quella giusta.
La quarta teoria fu proposta nel 1984 durante un convegno tenutosi a Kona (Haway). Era un’idea semplice, suggestiva, in grado di risolvere i problemi che affliggevano le torie classiche e ricevette subito un’accoglienza entusiastica: la nascita della Luna era avvenuta in seguito ad un gigantesco impatto fra la Terra primordiale ed un corpo celeste di notevoli dimensioni; l’urto provocò il distacco e la messa in orbita del materiale che in seguito si condensò per formare il nostro satellite.
La teoria era stata inizialmente formulata da William K. Hartmann (uno degli organizzatori del convegno e probabilmente il più sorpreso dal successo ottenuto) nel 1975 ma era stata ignorata da tutti per diversi anni. In quell’anno Hartmann e un suo collega (Donald R. Davis), nel corso di alcune ricerche riguardo la formazione dei pianeti del sistema solare, arrivarono a scoprire che nei paraggi della Terra primordiale avrebbero potuto vagare corpi celesti di grosse dimensioni, alcuni grandi quanto Marte. Da qui l’idea del gigantesco impatto.
La grande collisione avrebbe scagliato nello spazio e messo in orbita attorno alla Terra parte dei detriti dalla condensazione dei quali si sarebbe in seguito formata la Luna.
Un anno più tardi un altro gruppo di scienziati era giunto, in maniera indipendente, alla stessa conclusione arrivando addiritura ad elaborare un modello per cercare di spiegare come mai i detriti erano finiti in orbita senza ricadere sulla Terra.
Questa teoria spiega molte cose. La Luna non ha un nucleo metallico poiché il nucleo del corpo collisore si fuse con quello della Terra. La somiglianza fra Terra e Luna per quanto riguarda gli isotopi dell’ossigeno si spiega supponendo che il corpo incidente si deve essere formato nella stessa regione del sistema solare nella quale si è formata la Terra mentre invece le altre differenze riguardo la composizione chimica trovano soluzione nel fatto che la Luna si formò principalmente con il materiale del corpo responsabile dell’impatto.
La teoria della collisione spiega anche perché la Luna è un corpo totalmente secco; non esiste, cioè, traccia di acqua nei materiali della sua superficie (nota 6). Secondo la teoria l’acqua sarebbe stata completamente vaporizzata dall’enorme quantità di calore sprigionata dall’impatto.
Inoltre trova finalmente soluzione un vecchio problema che le teorie classiche sulla formazione della Terra non riuscivano a spiegare: l’alta velocità di rotazione del nostro pianeta. Secondo la teoria dell’impatto il corpo responsabile della collisione colpì la Terra quasi di striscio, lontano dall’asse di rotazione. Un impatto di questo tipo avrebbe così impresso una notevole accelerazione al movimento di rotazione della Terra.
Questa teoria ha il grosso pregio di spiegare l’origine della Luna in maniera del tutto naturale, senza ricorrere ad ipotesi ad hoc, chiamando cioè in causa meccanismi che dovevano essere molto comuni nel giovanissimo sistema solare. Gli astronomi ricorrono alla teorie da impatto anche per spiegare altri fenomeni peculiari del sistema solare come, ad esempio, la forte inclinazione dell’asse di rotazione del pianeta Urano. Inoltre la cicatrici di antichissime gigantesche collisioni sono ancora visibili sulle superfici di alcuni satelliti di Giove e di Saturno mentre è ormai certo che la grande estinzione di massa, avvenuta 65 milioni di anni fa, che costò la vita ai dinosauri, fu innescata dalla collisione con la superficie terrestre di un corpo celeste (un asteroide o una cometa) dal diametro di circa dieci chilometri che piombò sulla Terra alla velocità di trenta chilometri al secondo.
E finalmente gli astronomi si convinsero dell’esistenza della Luna!
EPILOGO
L’influenza che la Luna ha avuto sul pianeta Terra è talmente grande che è difficile immaginare un mondo senza di essa.
Il nostro pianeta non sarebbe più lo stesso senza le maree, senza le eclissi e, soprattutto, con un giorno che potrebbe essere molto più lungo delle usuali 24 ore come nel caso di Venere, il quale ruota attorno al proprio asse in 243 giorni terrestri.
Anche la civiltà umana è stata profondamente influenzata dalla presenza della Luna. Un esempio per tutti: il 20 luglio 1969 l’uomo posava per la prima volta i piedi sul nostro satellite e ufficialmente iniziava la conquista dello spazio. «Un piccolo passo per l’Uomo, un grande passo per l’Umanità» disse Neil Armstrong in quella storica occasione ma senza la Luna, cioè senza un corpo così vicino e soprattutto con una superficie solida relativamente ospitale, questo primo, piccolo passo non sarebbe stato possibile. Le cose sarebbero andate molto diversamente se il corpo celeste più vicino alla Terra fosse stato Marte, che nel momento del massimo avvicinamento dista settanta milioni di chilometri, oppure il più vicino Venere che però presenta una pressione al suolo pari a quasi cento volte quella terrestre e un’atmosfera che contiene grandi quantità di acido solforico.
Fa una certa impressione constatare quanto potrebbero essere stati diversi i nostri destini senza quella tremenda catastrofe cosmica avvenuta più di quattro miliardi di anni fa.
Monografia n. 69-2001/12
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NOTE a “L'origine della Luna”:
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