Il ruolo del
Planetary Science Institute

Furono due scienziati del Planetary Science Institute, il dr. William K. Hartmann ed il dr. Donald R. Davis, a suggerire per primi l'ipotesi attualmente più accreditata dell'origine della Luna in uno studio pubblicato nel 1975 sulla rivista Icarus.

L'idea in due parole

All'epoca in cui si formò la Terra 4.5 miliardi di anni fa, si stavano aggregando anche altri più piccoli corpi planetari. 
Uno di questi colpì la Terra ormai giunta agli ultimi stadi del suo processo di formazione, asportando del materiale roccioso. Una frazione di  questi detriti finì in orbita intorno alla Terra e si aggregò a formare la Luna.

I motivi per cui è un'ottima ipotesi

• La Terra ha un consistente nucleo ferroso, mentre la Luna ne è priva.  All'epoca del violento impatto il ferro terrestre era già sceso nel nucleo.  Per tale motivo i frammenti provenienti sia dalla Terra che dall'impattore e che formavano in precedenza i mantelli dei due corpi erano rocciosi e poveri di ferro.   Il nucleo ferroso del proiettile si fuse in seguito all'impatto e si unì al nucleo ferroso della Terra, proprio come previsto dai modelli computerizzati.
  
• La Terra ha una densità media di 5.5 grammi/centimetro cubo, ma quella della Luna è di soli 3.3 grammi/centimetro cubo. Il motivo è lo stesso, cioè che la Luna è carente di ferro.
  
• La  composizione isotopica dell'ossigeno della Luna è esattamente la stessa della Terra, mentre le rocce di Marte ed i meteoriti provenienti da altre regioni del Sistema Solare hanno differenti composizioni isotopiche dell'ossigeno.   Questo mostra che la la Luna è costituita da materiali provenienti da zone vicine alla Terra.
  
• Se ipotizziamo per l'origine della Luna un processo evolutivo, è molto difficile spiegare perchè gli altri pianeti non possiedano satelliti di questo tipo.  Soltanto Plutone ha un satellite che è una apprezzabile frazione delle sue stesse dimensioni.  La nostra ipotesi di un impatto gigante ha il vantaggio di invocare un evento occasionale che potrebbe accadere solamente a uno o due dei nove pianeti.

Le due raffigurazioni sono basate
sul modello  computerizzato realizzato da 
A. Cameron, W. Benz, J. Melosh, e altri.
Copyright William K. Hartmann

Che altre idee ci sono state?

• Una primitiva teoria era che la Luna fosse un mondo-fratello formatosi in orbita intorno alla Terra all'epoca della formazione del nostro pianeta.   Questa teoria si è mostrata insufficiente dal momento che non riusciva a spiegare il motivo della mancanza di ferro sulla Luna.

• Una seconda teoria era quella che ipotizzava per la Luna la   formazione in una zona del Sistema Solare povera di ferro e la successiva cattura gravitazionale in un'orbita intorno alla Terra.  Questa teoria ha mostrato la sua inadeguatezza quando le rocce lunari hanno evidenziato la stessa composizione isotopica di quelle terrestri.

• Una terza idea proponeva che inizialmente la Terra ruotasse così velocemente da produrre, come da una sorta appendice, la Luna.  Questa idea si accordava con la composizione lunare simile al mantello della Terra, ma era inadeguata quando i calcoli del momento angolare e dell'energia coinvolti indicavano che l'attuale sistema Terra-Luna non poteva essersi originato in questo modo.

Da dove viene questa teoria?

Hartmann e Davis conoscevano molto bene il lavoro svolto in Unione Sovietica negli anni '60 relativo all'aggregazione dei pianeti a partire da innumerevoli corpi di tipo asteroidale chiamati planetesimali.  Gran parte di questi lavori erano dovuti all'opera pionieristica di un astrofisico russo chiamato V.S. Safronov.

Prendendo spunto dall'idea generale di Safronov,   Hartmann e Davis effettuarono calcoli per determinare la velocità di aggregazione dei corpi di maggiori dimensioni nei pressi della Terra quando essa si stava ancora formando e valutarono così i processi di aggregazione del secondo oggetto, del terzo, ecc.
Proprio come la Fascia degli Asteroidi ha un oggetto più grande (Cerere) con diametro di 1000 km e molti corpi celesti più piccoli, dell'ordine di 300-500 km di diametro, la regione dell'orbita terrestre avrebbe dovuto ospitare molti oggetti con dimensioni fino a circa la metà di quelle della Terra in quel periodo della sua formazione.
L'idea era che nel caso della Terra (e non per gli altri pianeti) l'impatto si fosse verificato sufficientemente in ritardo, e nella stessa direzione della rotazione del pianeta, in modo che fosse espulso materiale in quantità sufficiente a formare la Luna.

Come si è sviluppata la teoria?

Alla prima presentazione della nostra teoria nel 1974, nel corso di una conferenza sui satelliti, A. G. W. Cameron, un ricercatore di Harvard, annunciò che con William Ward stava lavorando alla stessa idea, ma che vi era giunto partendo da un'altra considerazione -- lo studio del momento angolare del sistema -- e questo li aveva portati a concludere che il proiettile fosse un corpo più o meno delle dimensioni di Marte (circa la metà o la terza parte delle dimensioni della Terra).
Il nostro studio venne pubblicato nel 1975 (Hartmann and Davis, Icarus 24, 504-505) mentre Cameron e Ward presentarono un abstract su questa idea alla Lunar Science Conference nel 1976, due anni dopo l'articolo del Planetary Science Institute.

Alcuni studi furono compiuti da Thompson e Stevenson nel 1983 sulla formazione di piccole lune nel disco di detriti formatosi intorno alla Terra dopo l'impatto.  Tuttavia in generale la teoria rimase senza seguto fino al 1984 quando venne organizzato un meeting internazionale a Kona (Hawaii) dedicato all'origine della Luna.
Nel corso di quel meeting l'ipotesi dell'impatto gigante risultò quella preminente e tale è ancora oggi.  Il dr. Michael Drake, direttore del Dipartimento di Scienze Planetarie dell'Università dell'Arizona, ha recentemente descritto quel meeting come forse il più riuscito della storia della scienza planetaria.

Una raccolta di interventi di quel meeting venne pubblicata dal Lunar and Planetary Institute (Houston) nel 1986 in un volume dal titolo Origin of the Moon curato dallo scienziato del Planetary Science Institute William Hartmann, con la collaborazione di Geoffry Taylor e Roger Phillips.  Questo libro è tutt'ora il principale riferimento sull'argomento.  Nel frattempo alcuni ricercatori, Willy Benz, Jay Melosh, A. G. W. Cameron e altri, stavano lavorando intorno a modelli computerizzati dell'impatto in modo da determinare quanto materiale avrebbe potuto essere immesso in orbita.  Alcuni di questi risultati sono stati utilizzati da Hartmann per realizzare le immagini presenti in questa pagina web, cercando di mostrare come l'impatto poteva essere osservato da uno spettatore umano (ammesso che gli esseri umani avessero potuto essere in quei paraggi -- sarebbero arrivati solamente 4.5 miliardi di anni più tardi!).

Negli anni '90 la dr. Robin Canup scrisse una tesi di dottorato sull'origine della Luna e l'ipotesi dell'impatto gigante proponendo nuovi modelli dell'aggregazione dei detriti in piccole lune e, successivamente, nella stessa Luna.   Ancora adesso la dr. Canup si sta dedicando alla costruzione di modelli del processo di accrescimento della Luna.

La Luna si sta formando
nella zona esterna dell'anello
Copyright William K. Hartmann

La situazione attuale

Nel 1997 il lavoro della dr. Canup ebbe una sacco di pubblicità da parte dei mass media ma in alcune circostanze, erroneamente, quella dell'impatto gigante venne considerata come un'idea inedita.
A dire il vero, il primo studio della dr. Canup, presentato nel luglio 1997, suggeriva che i detriti provenienti da un impatto non avrebbero originato una sola luna, ma una moltitudine di piccole lune.
In un suo successivo lavoro (autunno 1997) venne concessa più possibilità di successo alla possibilità che i detriti si aggregassero in una singola luna.

Ad ogni modo l'ipotesi dell'impatto gigante continua ad essere la più importante tra quelle che intendono descrivere come si sia formata la Luna.
E' quella corretta? Sarà confutata da ricerche più approfondite?  Solo il tempo potrà dirlo, e fino ad ora ha resistito a oltre 25 anni di analisi accurate.

Al Planetary Science Institute collaborano molti importanti ricercatori per proporre nuove idee riguardo al meccanismo di accrezione studiando alcune varianti del modello standard di costruzione planetaria.  Ma questi studi devono ancora consolidarsi.

Copyright William K. Hartmann

Primitive eruzioni vulcaniche

Studi sulle rocce lunari mostrano che in origine
la superficie della Luna era fusa.
Non appena questo oceano di magma diventò solido
iniziò un periodo di intensa attività vulcanica
che si protrasse per circa 900 milioni di anni:

Copyright William K. Hartmann

La Luna oggi

Questa scena di pomeriggio lunare raffigura una
situazione durata circa 3 miliardi di anni.
Cessato il vulcanesimo e le grandi cadute di meteoriti,
il silenzioso paesaggio lunare è in attesa
del ritorno degli esploratori umani.

Hartmann, W. K. and D. R. Davis 1975 Icarus, 24, 505.

Hartmann, W. K. 1997. A Brief History of the Moon. The Planetary Report. 17, 4-11.

Hartmann, W. K. and Ron Miller 1991. The History of Earth, (New York: Workman Publishing Co.)

Hartmann, W. K., R.J. Phillips, and G.J. Taylor, eds. 1986. Origin of the Moon. (Houston: Lunar and Planetary Institute.)