Verdwenen maanelementen teruggevonden in de kern

Maangesteente dat ooit door astronauten mee naar de aarde is genomen, heeft bijna dezelfde samenstelling als de dikke buitenschil (de mantel) van de aarde. Toch zijn er ook verschillen. Zo is de concentratie van elementen als kobalt en nikkel in het maangesteente een stuk lager dan in de aardmantel. Ook aan sommige vluchtige elementen, zoals tellurium, selenium en cadmium, heerst een ‘tekort’.

Dat is niet zo gek, vinden maanwetenschappers. Kobalt en nikkel zitten bij het gesmolten ijzer in de maankern, weten ze. En ‘vluchtige’ elementen verdampen makkelijk. Toen de maan zich vormde, en er temperaturen heersten van duizenden graden Celcius, zijn deze waarschijnlijk als gaswolken de ruimte in gegaan.

Nieuw onderzoek wijst nu echter uit dat de vluchtige elementen helemaal niet zijn verdwenen. Ook zij zitten nog steeds in de maankern, zegt planeetwetenschapper Edgar Steenstra van de Vrije Universiteit Amsterdam. Met zijn collega’s en een paar studenten van dezelfde universiteit deed hij onderzoek naar de samenstelling en het ontstaan van de kern van de maan. Deze maand publiceerden ze de resultaten in het vakblad Earth and Planetary Science Letters.

382 kilo gesteente

De maan is ooit ontstaan uit de aarde. Hoe dat precies in zijn werk ging is nog altijd niet duidelijk – in het scenario met de meeste aanhangers kwam er een botsing met een meteoriet formaat Mars aan te pas. Wel is zeker dat de ingrediënten van de maan uit de dikke buitenlaag van de aarde afkomstig zijn. Het blijkt uit analyses van maangesteente dat op aarde aanwezig is: de oogst van de Apollo- en Luna-missies in de jaren ’60 en ’70. Bij deze maanmissies is in totaal 382 kilo maan terug naar de aarde gehaald. Daarnaast zijn in de loop der tijd brokken maangesteente als meteoriet op aarde neergekomen.

Vlak na zijn geboorte was de maan gloeiend heet en vrijwel helemaal gesmolten. Daarna koelde hij af, en verdeelde het materiaal zich onregelmatig over de maanbol: relatief zware metalen als ijzer, nikkel en kobalt zakten naar de kern, lichter gesteente steeg op naar het maanoppervlak. De maan heeft dus een kern, zoals ook te zien is op seismologische beelden van de binnenkant van het hemellichaam.

Naast metalen en silicaten, die de basis voor respectievelijk de kern en de omliggende schil vormen, bevat de maan nog andere elementen. Sommige daarvan zijn siderofiel (letterlijk: metaalminnend), hetgeen betekent dat ze makkelijk oplossen in gesmolten ijzer. Bij de vorming van de maankern zijn de vluchtige siderofiele elementen voor een groot deel met het metaal meegereisd naar de binnenkant van de planeet, ontdekte Steenstra. De buitenschil van de maan raakte hierdoor verarmd aan deze elementen. “De ontbrekende hoeveelheid vluchtige elementen kan volledig door het kernvormingsproces verklaard worden”, zegt Steenstra. “Hoe siderofieler het element, hoe minder er nog van voorkomt in het maangesteente in de buitenschil.”

Hogedruklab

Omdat ze niet naar de maan konden (te duur, en boren tot de kern is ook technisch onhaalbaar), deden Steenstra en zijn team hun onderzoek in het hogedruklaboratorium van de Vrije Universiteit. “Hier kunnen we gesteentemonsters de drukken en temperaturen laten ondergaan die in de binnenkant van de maan heersen”, vertelt Steenstra. Ze voedden de machine met gemalen mengsels van metaal en gesteente, en onderzochten bij welke drukken en temperaturen deze zich opsplitsen zoals dat op de maan ook gebeurd moet zijn. Ook keken ze hoe de siderofiele elementen zich bij verschillende drukken en temperaturen verdeelden.

“Het doel van het onderzoek was om meer inzicht te krijgen in de omstandigheden op de maan tijdens de kernvorming”, vertelt Steenstra. De maan moet destijds nog helemaal vloeibaar geweest zijn, concludeerde hij. Dat het gebrek aan siderofiele elementen in de maanmantel gewoon uit kernvorming verklaard kan worden, was een bijvangst van het onderzoek.

Nancy Chabot is planeetwetenschapper bij de John Hopkins University in de Verenigde Staten, en was niet betrokken bij het onderzoek. “Goed werk”, zegt ze desgevraagd. “Dit onderzoek levert meer begrip op van de maanstenen die we op aarde hebben, en nieuwe inzichten over het ontstaan van de maan.”

Vragen erbij

Zoals vaker gebeurt in de wetenschap, is met Steenstra’s bevindingen echter geen probleem opgelost, maar juist een extra vraag opgedoken. Als de missende vluchtige elementen allemaal in de kern zitten is er dus niks verdampt, anders hadden er nóg minder in de maanstenen moeten zitten. Maar wat heeft de verdamping destijds dan verhinderd?

“Een optie is dat het verdampte materiaal weer naar de maan is teruggekeerd toen deze afkoelde”, zegt Steenstra – net zoals verdampt water altijd weer terugregent op aarde. Maar er is nog vrij weinig bekend van het gedrag van gaswolken bij deze omstandigheden, voegt hij er meteen aan toe: “In vacuüm, met een lage zwaartekracht en extreem hoge temperaturen.”

Meer onderzoek is dus noodzakelijk – beter kan je het als wetenschapper eigenlijk niet krijgen…

Volgende week zal Steenstra zijn bevindingen presenteren op het European Lunar Symposium, dat dit jaar gehouden wordt in Amsterdam.