Orientalen renkaiden synty

Kuun geologia on suurimmaksi osaksi törmäysaltaiden geologiaa. Niukasti Kuun etäpuolella sijaitseva Orientale on nuorin ja suurin monirenkainen allas. Sitä onkin tutkittu erittäin hartaasti vuodesta 1962 alkaen, jolloin Bill Hartmann ja Gerard Kuiper klassikkoartikkelissaan oivalsivat altaiden olevan huomattavasti monimutkaisempia olioita kuin "pelkkiä" suuria kraattereita. Orientale kiinnostaa edelleen, ja suunnilleen kaikki Kuun pinnanmuotoihin perustuvaa tutkimusta tuon jälkeen tehneet ovat jossain vaiheessa sotkeutuneet Orientaleen ainakin jollain tavalla.

Orientalen allas Lunar Reconnaissance Orbiterin
kuvaamana. Sisärenkaan rajaama Mare  Orientale
täyttää vain altaan keskiosan. Sen itäpuolella sisem-
män ja ulomman Rookin renkaan välissä näkyy
tummana Lacus Veris, ja uloimpana Cordilleran
renkaan sisäpuolella puolestaan on Lacus Autumni.
Cordilleran renkaan ja samalla koko törmäysaltaan
läpimitta on noin 930 km.
Kuva: NASA / GSFC / ASU / LRO WAC.

Lokakuun lopulla Science-lehdessä ilmestyi kansikuvan kera parikin artikkelia Orientalesta. Jutuista toinen ylitti Suomessakin uutiskynnyksen,^* mutta lyhyessä lehdistötiedotteeseen perustuvassa uutisessa ei tietenkään voi juuri mitään kertoa. Kyseessä oli kuitenkin minun mielestäni ihan kohtalaisen kiinnostava kokonaisuus, joten kerrottakoon asiasta nyt hivenen enemmän.

Uutisten taustalla on NASAn huikean menestyksekäs, neljä vuotta sitten toimintansa lopettanut GRAIL-luotainkaksikko, joka mittasi Kuun painovoimakenttää ennennäkemättömällä tarkkuudella. GRAILin aineistoa on ehditty hyödyntää vasta hyvin pintapuolisesti, ja nyt julkaistut artikkelit ovat ensimmäiset, joissa käsitellään GRAILin loppuvaiheiden tuloksia. Orientalen merkittävyyden vuoksi luotainpari ohjattiin viime vaiheissaan lentämään Orientalen itäosan yli vain kahden kilometrin korkeudelta, joten viimeiset painovoimamittaukset ovat jopa GRAILin mittakaavassa huikaisevan tarkkoja. Painovoimamallin erotuskyky on 3–5 km, mikä toisen taivaankappaleen painovoimakenttää tutkittaessa on äärimmäisen hyvä suoritus.

Artikkeleista ensimmäinen on GRAILin päätutkijan Maria Zuberin ja laajan kollegajoukon kirjoittama. Se on eräässä mielessä hyvin perinteinen Sciencen artikkeli: milloin hyvänsä jokin avaruusluotain tekee jotain uutta ja ihmeellistä, kuten GRAIL lennon loppuvaiheessakin teki, siitä kirjoitetaan artikkeli Scienceen. Tuollaiset artikkelit eivät oikeastaan koskaan sano juuri mitään, mutta niitä on kuitenkin myöhemmin pakko siteerata, koska ne ovat ensimmäisiä. Käyttökelpoisemmat artikkelit tulevat sitten myöhemmin muissa lehdissä. Tästä lähtökohtaisesta kritiikistä huolimatta Zuberin porukka on tehnyt aivan erinomaista työtä, ja GRAILin tulokset ovat monessa mielessä mullistavia.

Zuberin artikkelin oleellisin tieto on uusi arvio Orientalen kaivautumiskraatterin läpimitasta, noin 320–460 km. Tämä sijoittaa sen reunan sisemmän Rookin renkaan (ks. kuva yllä) ja Mare Orientalea rajaavan sisärenkaan (jota Zuber ja kumppanit kutsuvat nimellä "inner depression") väliin. Vuosikymmenten saatossa kaikkia Orientalen päärenkaista, eli sisärengasta (D=320 km), sisempää Rookin rengasta (D=480 km), ulompaa Rookin rengasta (D=620 km) ja Cordilleran rengasta (D=930 km), sekä melkeinpä mitä tahansa 100 km:a suurempaa lukemaa on esitetty Orientalen kaivautumiskraatterin halkaisijaksi. 

Kaivautumiskraatteri on se tilapäinen kraatteri, jonka tilavuus juuri ennen sen luhistumista on suurimmillaan. Sen merkitys on siinä, että sen koko varsinaisesti määrittelee kaiken, mitä kraatterille myöhemmissä kraatteroitumisprosessin vaiheissa tulee tapahtumaan. Niinpä sen koon tunteminen olisi hyvin oleellista pyrittäessä ymmärtämään kraatterien ja altaiden syntyä. Ongelma piilee siinä, että se on ohimenevä ja myös idealisoitu ilmiö, eikä siitä lopullisen kraatterin pinnalla havaittavaan muotoon jää mitään todistetta. Tarkat painovoimatutkimukset kuitenkin mahdollistavat aiempaa tarkemmat arviot sen koosta, sillä painovoimakenttään se jättää jälkensä. Helppoa sen määrittäminen ei siltikään ole, mistä kielii myös Zuberin ja kumppanien arvion varsin suuri epävarmuus. Kokoarvioiden joukossa Zuberin ryhmän arvio menee pienehköön päähän, ja on esimerkiksi pienempi kuin kollegani Amanda Nahmin kanssa muutama vuosi sitten tehdyssä artikkelissa järkeilemäni 500–550 km (Rookin renkaiden välissä). Varmaa on, että vaikka 320–460 km on nyt ehkäpä varmimmalla pohjalla oleva kokoarvio, se ei tule olemaan viimeinen. Kun GRAIL-tutkimusryhmän ulkopuolisetkin tahot pääsevät nyt käsiksi kaikkein tarkimpaan painovoima-aineistoon, tulemme varmasti näkemään runsaasti mielenkiintoisia uusia kurkistuksia Kuun pinnanalaiseen maailmaan.

Jälkimmäinen Sciencen artikkeli onkin sitten paljon kiinnostavampi. Siinä Brandon Johnson kollegoineen yrittää GRAILin antamien pohjatietojen varassa simuloida Orientalen tärkeimpien renkaiden (Rookin renkaat ja Cordillera) syntyä. Tunnustan suoraan, että simulointi on lähtökohtaisesti itselleni hieman ongelmallinen ala, eikä vain kraatteritutkimuksessa. Valitettavan paljon nimittäin näkee simulaatioihin perustuvia tutkimuksia, joissa todellisen geologian tai ylipäätään havaintojen asettamat reunaehdot sivuutetaan täysin. Osa tämän uudenkaan artikkelin kirjoittajista, ykköskirjoittaja professori Johnson ja akateemikko Jay Melosh mukaan lukien, ei ole sitä syntiä aiemmin onnistunut välttämään. Tällä kertaa hommassa kuitenkin tuntuu enimmäkseen pysyneen järki mukana. 

Sciencen kanteen päässyt kaunis näkymä Orientalen törmäysaltaaseen. Kuvassa on yhdistetty NASAn Lunar Reconnaissance Orbiterin laserkorkeusmittarin ja JAXAn SELENE / Kaguyan stereokuva-aineistoihin perustuva digitaalinen korkeusmalli GRAILin värikoodattuun painovoiman ilma-anomaliaan. Punaiset alueet ovat positiivisia painovoimapoikkeamia, eli niillä on massaa keskimääräistä enemmän. Kuva: Ernie Wright / GSFC / NASA Scientific Visualization Studio.

Johnsonin ja kumppaneiden parhaassa simulaatiossa, jossa 64 km:n läpimittainen duniittiasteroidi törmää nopeudella 15 km/s 52 km paksuun kuoreen, kaivautumiskraatterin läpimitaksi saatiin noin 390 km. Zuberin asettamien rajojen sisällä siis pysyttiin. Simulaatio myös tuottaa kolme keskeisintä rengasta oikeille paikoilleen. Simulaation ennustamat ulompien renkaiden siirrokset läpäisevät koko kuorikerroksen yltäen Kuun vaippaan saakka. Ne ovat loivempia (50°–55°) kuin mitä topografiaan pohjautuvalla siirrosmallinnuksella yleensä arvioitiin, mutta lasketut siirtymät ovat näissä täysin erilaisissa lähestymistavoissa samaa muutaman kilometrin luokkaa, mikä tietenkin lisää luottamusta tulokseen tuntuvasti.  

Yksi omasta mielestäni kiinnostavimmista johtopäätöksistä on Johnsonin artikkelissa lähes piilotettu yhteen lyhyeen kappaleeseen. Osin tämä varmasti johtuu artikkelin kirjoittajajoukostakin, johon mahtuu ainakin kahden allaskoulukunnan edustajia. Johnsonin simulaatiossa sisempi Rookin rengas on romahtanut keskuskohouma, kuten sen olla pitääkin. Kuten jo edellä viittasin, ulompi Rookin rengas ja Cordilleran rengas sen sijaan ovat normaalisiirrosten synnyttämiä. Siirrokset syntyivät kaivautumiskraatterin romahtamisen aiheuttamana vaippa-aineksen virratessa kohti altaan keskustaa. Samalla vaippa veti mukanaan kuorikerrosta. Tämä johti kuoren venytykseen, ja sen myötä normaalisiirrosten syntyyn. Tämä syntymalli on täysin ns. rengastektonisen teorian mukainen. Itseäni tämä miellyttää, sillä olen aina pitänyt rengastektonista teoriaa selvästi eleganteimpana allasmallina, ja sillä on sekin pieni etu puolellaan, että se sopii yhteen havaintojen kanssa. Eräät muut syntymallit ovat maineikkaasta esittäjästään huolimatta vähintäänkin omituisia.

Ongelmattomana Johnsonin uutta simulaatiotutkimusta ei sen kiistattomista ansioista huolimatta tietenkään voida pitää. Pahin puute on, että simulaatio on laskennallisten pakotteiden sanelemana kaksiulotteinen. Kaksiulotteiset simulaatiot hyvin todennäköisesti yliarvioivat keskuskohouman koon, ja koska sisempi Rookin rengas syntyy keskuskohouman romahtamisesta, voisi näin simulaatiomaallikkona olettaa realistisemman kolmiulotteisen simulaation tuottavan huomattavasti pienemmän renkaan. Sikäli tulosten ja todellisuuden vastaavuudelta putoaisi pohja pois.

Simulaation kaksiulotteisuus myös automaattisesti tarkoittaa sitä, että törmäyksen oletetaan olleen pystysuora, vaikka luonnossa pystysuoria törmäyksiä ei ole, ja todennäköisen törmäyskulma on 45°. Törmäyksen vinous aiheuttaa runsaasti erittäin merkittäviä muutoksia kraatteroitumisprosessiin, ja pystysuoraan törmäykseen nähden 45°:n törmäyksen synnyttämän kaivautumiskraatterin tilavuus on vain kolme neljäsosaa. Jo lähtökohtaisesti siis tiedetään, että simulaatio ei vastaa todellista Orientalen altaan synnyttänyttä törmäystä.

Toinen ongelmakohta ovat simulaatioiden ytimessä vaikuttavat materiaalien tilanyhtälöt. Tilanyhtälöt ovat joukko fysikaalisia yhtälöitä, jotka kuvaavat aineen ominaisuuksia eri olosuhteissa. Kraatteroitumisprosessin äärimmäisissä olosuhteissa kiviaineksen tilanyhtälöt tunnetaan erittäin heikosti. Lisäksi artikkelissa käytetään Kuun kuoren kuvaamisessa graniitin tilanyhtälöä, sillä todellisuutta vastaavalle anortosiitille tilanyhtälöitä ei käytännössä tunneta juuri lainkaan. Saman ryhmän aiemmat tutkimukset ovat antaneet viitteitä, joiden mukaan altaiden kokoluokassa kuoren tilanyhtälöllä ei olisi mainittavaa merkitystä, mutta täyttä varmuutta tästä ei ole. Ylipäätään tilanyhtälöiden heikko tuntemus on yksi kraatterimallinnuksen suurista ongelmakohdista, joista tosin simulaatiotutkimusten lehdistötiedotteissa ymmärrettävistä syistä ollaan hiljakseen.

Yksi asia, josta niin Zuber kuin Johnsonkin artikkeleissaan vaikenevat täysin, on hyvinkin oleellinen, jos Orientalea käytetään kaikkien altaiden arkkityyppinä, kuten hyvin usein tehdään. Paul Spudis puhui asiasta kirjassaan jo yli kaksikymmentä vuotta sitten. Orientale on nimittäin nuorin Kuun törmäysaltaista, ja nuori verrattuna myös muiden planeettojen altaisiin. Sen synnyttänyt törmäys tapahtui verrattain myöhään, jolloin Kuun lämpövuo oli jo huomattavasti alhaisempi ja kuori paksumpi kuin useimpien muiden altaiden syntyessä. Kuoren paksuus ja lämpötila ovat hyvin merkittäviä muuttujia altaiden synnyssä ja kehityksessä, ja Orientalen kohdalle ne siis eivät olleet samat tai välttämättä kovinkaan vertailukelpoiset muiden altaiden kanssa. Niinpä Orientalen altaan rakenteen tai simuloidun syntymekanismin ei suoraan voi olettaa kertovan, miten muut altaat syntyivät tai millaisilta ne nuoruudessaan näyttivät. Tämä kannattaa pitää mielessä tuleviakin Orientale-tutkimuksia lukiessa. Niitä odotellessa kannattaa kuitenkin lukaista niin Zuberin kuin Johnsoninkin artikkelit, sillä ne toimivat hyvänä johdantona erittäin laajaan Orientale-kirjallisuuteen perehdyttäessä.
--
^{*Kyllä, T+A:n uutisen aloitus "Kuun valoisan puolen laidalla" ärsytti todella pahasti, ja yritin saada toimittaja Riikosen korjaamaan tuon valheellisen väittämän, siinä kuitenkaan onnistumatta. Tuo kertonee ongelman laajuudesta. Miten voisi edes toivoa, että Kuun valaistusolosuhteet olisivat millään lailla suuren yleisön tiedossa, kun asia ei Pohjoismaiden suurimman tähtitiedelehden verkkouutisten toimituksessakaan missään vaiheessa iske kenenkään silmään? Työmaata tälläkin saralla selvästi riittää...}

GRAILin malja

Myöhemmin tänään tapahtuvaa GRAILin (Gravity Recovery And Interior Laboratory), eli Ebb- ja Flow-luotainten Philolaus D-kraatterin pohjoisreunaan tähdättyä törmäystä odotellessa on hyvää aikaa katsastaa lehdistötiedotteiden ympäripyöreyksiä syvemmin, mistä puolisentoista viikkoa sitten julkaistuissa GRAILin ensimmäisissä tuloksissa oikeastaan oli kyse. Sitä ennen on tosin hämmästeltävä NASAn sössimistä GRAILin törmäyskohdan ennakkotiedottamisessa. Ainakaan äkkiä haettuna missään lehdistötiedotteissa ei mainittu kyseisen kraatterin nimeä (vaikka mainittiin kylläkin samalla suunnalla sijaitseva Goldschmidt), ja annetuissa koordinaateissa itä ja länsi on onnistuttu sotkemaan päinvastaisiksi. Onneksi tarjotun kartan täysikokoisesta versiosta pystyi lukemaan kraatterien nimetkin. Lehdistötiedotteissa kuitenkin puhuttiin nimettömästä vuoresta, eikä suinkaan Philolaus D:n pohjoisseinämästä, jonne siis Ebb ja Flow on tänään 17.12. noin klo 22.29 UTC (mikä tarkoittaa huomista 18.12. klo 00.29 Suomessa)  tarkoitus törmäyttää. No, eipä ole ensimmäinen kerta, kun NASAn tiedottaminen ontuu pahasti. Eikä varmasti myöskään viimeinen.

Onneksi itse tieteen tekemisessä on onnistuttu huomattavasti paremmin. Science-lehden verkkoversiossa Sciencexpress julkaistiin 5.12. kolme artikkelia GRAILin ensimmäisistä tuloksista. Näistä ensimmäinen, GRAILin päätutkija Maria Zuberin ja kumppaneiden artikkeli on perinteinen Science-artikkeli minkä tahansa uuden luotaimen ensimmäisistä tuloksista: artikkelissa ei sanota käytännössä yhtään mistään yhtään mitään, mutta kaikkien on sitä myöhemmin siteerattava, koska se sattuu olemaan ensimmäinen artikkeli aiheesta. Kaksi muuta artikkelia ovatkin sitten erittäin merkittäviä, ja osaltaan muuttavat huomattavastikin käsitystämme Kuusta.

Mark Wieczorekin johtaman ryhmän artikkeli The Crust of the Moon as Seen by GRAIL pistää uusiksi useampiakin käsityksiämme Kuun pintaosista. Kuun kuoren keskitiheyden oletettiin aiemmin olevan noin 2800–2900 kg/m³, mutta GRAILin ensimmäisten tulosten mukaan se on vain 2550 ± 18 kg/m³. Tuollainen noin 10%:n pudotus aiemmasta parhaasta arviosta tulee tuntuvasti vaikuttamaan erilaisiin geofysikaalisiin ja petrologisiin malleihin. Alueelliset erot Kuun kuoren tiheydessä ovat melko suuria, luokkaa ±250 kg/m³. Tihein kuori on yllätyksettömästi vanhan ja suuren South Pole – Aitkenin altaan alueella, jossa aiemmat geokemialliset mittaukset ovat osoittaneet muita Kuun ylänköalueita suurempia raudan pitoisuuksia. Harvin kuori löytyy puolestaan huomattavasti nuorempien Orientalen ja Moscoviensen altaiden alueelta.

Kiven tiheyteen vaikuttaa merkittävästi sen koostumuksen ohella myös sen huokoisuus. Wieczorekin ja kumppaneiden mukaan Kuun kuoren huokoisuus on luokkaa 12% aina muutaman kilometrin syvyyteen saakka. Vertailun vuoksi mainittakoon, että suomalaisen jämäkän graniitin huokoisuus on tyypillisesti alle prosentin. Kuun kuoren tiedettiin toki olevan törmäysten möyhentämää, mutta näin suuri huokoisuus (joka on käytetystä mallista riippuva arvio, eikä mikään lopullinen absoluuttinen totuus) näin syvälle yltäen oli yllätys.

Artikkelin merkittävimmät uudet tulokset koskevat Kuun kuoren paksuutta. Aiemmin kuoren keskipaksuudeksi arvioitiin noin 50 km, mutta GRAILin myötä keskipaksuudeksi oletetaan nyt vain noin 34–43 km. Tämä vastaa suunnilleen Maan kuoren keskipaksuutta, mutta on vähemmän kuin Suomessa, jossa kuori on noin 40–60 km paksu. Ohuimmillaan Kuun kuori on Moscoviensen ja Crisiumin törmäysaltaiden kohdalla, jossa se on lähes nolla; Kuun vaippa on siis käytännössä heti pintaa peittävien mare-basalttien alla. Lisäksi Humboldtianumin, Apollon, ja Poincarén altaiden synty ohensi kuoren alle 5 km:ksi, mikä sekin tarkoittaa erittäin ohutta kuorta. Tämä vastaa kuoren paksuutta Maapallon valtamerten kohdalla. Etenkin Moscoviensen äärimmäisen ohut kuori sopii erittäin hyvin yhteen pari vuotta sitten Kaguya-luotaimen spektrimittauksista varsin luotettavasti tulkittujen oliivinirikkaiden alueiden kanssa. Koska Kuun vaipan koostumus olisi äärimmäisen kiinnostava tieto ei ainoastaan Kuun vaan koko Aurinkokunnan synnyn ja kehityksen ymmärtämisen kannalta, on todennäköistä, että Moscoviense tulee olemaan yksi suosikkikohteista, kun Kuusta joskus palataan hakemaan näytteitä.

Kuun kuoren paksuus GRAILin painovoima- ja LRO:n korkeusmittausten pohjalta. Lähipuoli vasemmalla, etäpuoli oikealla. Kuva: Science / Wieczorek et al. (2012)

Viimeinen uusista GRAIL-artikkeleista, Jeff Andrews-Hannan ja kollegoidensa kirjoittama Ancient Igneous Intrusions and Early Expansion of the Moon Revealed by GRAIL Gravity Gradiometry on myös erittäin kiehtova, joskaan ei ehkä aivan yhtä mullistava. Andrews-Hannan ryhmä mittasi Kuun painovoimakentän gradienttia, eli käytännössä sitä, missä kenttä muuttuu nopeasti. Tästä aineistosta paljastui satojen kilometrien mittaisia, kapeita ja suoria rakenteita, jotka he tulkitsivat magmaattisiksi juoniksi. Juonten leveys on yleensä luokkaa 5–12 km, mutta voi suurimmillaan käytetystä laskentamallista riippuen olla jopa yli 80 km. Luvut kuulostavat suurilta, ja sitä ne ovatkin, mutta ovat kuitenkin hyvin vertailukelpoisia Zimbabwessa sijaitsevan kuuluisan Great Dyken kanssa (joka tosin tarkkaan ottaen ei ole juoni).

Juonten ja kraatterien ja törmäysaltaisen keskinäisten leikkaussuhteiden perusteella GRAILin löytämien juonten on todettu olevan erittäin vanhoja. Juonet syntyivät South Pole – Aitkenin jälkeen, mutta Crisiumia ennen. Tämä tekee niistä iältään nectarisia tai pre-nectarisia. Koska ne lisäksi sijaitsevat kymmenien kilometrien syvyydellä Kuun kuoressa yltäen todennäköisesti vaippaan saakka, ei niistä pinnalla näy topografiassa, kuvissa, tai geokemiassa jälkeäkään. Kuussa on tektonisten rakenteiden perusteella oletettu olevan juonia jo kauan, mutta suoria todisteita niistä ei ole saatu. Nämä aiemmin ehdotetut juonet ovat kooltaan valitettavasti GRAILin erotuskyvyn alapuolella, joten täyttä varmuutta Kuun juonten olemassaolosta ei siis vieläkään ole.

Kuun painovoimakentän Bouguer-anomalian horisontaaligradientti Crisiumin altaan alueella Eötvöseinä ilmaistuna. Tummanpunaiset alueet ovat +30 E, ja tummansiniset -30 E. Crisiumin allas leikkaa sinisenä näkyvää lähes itä--läntistä juonta, joten juoni on Crisiumia vanhempi. Kuva: Science / Andrews-Hanna et al. (2012)  

Jättimäiset juonet – sikäli kun tämä luotettavalta vaikuttava tulkinta piää paikkansa – ovat jo sinällään kiehtovia, mutta ne tarjoavat myös laajempia näkymiä Kuun varhaiseen historiaan. Juonten perusteella nimittäin laskettiin, että Kuun on täytynyt laajentua. Tämä Kuun ensimmäisen miljardin vuoden aikana tapahtunut laajeneminen kasvatti Kuun halkaisijaa suunnilleen 1–10 km. Mikä mainiointa, tämä sopii hyvin yhteen jo 1970-luvulla tehtyjen laskelmien kanssa.

GRAILin ensimmäiset tulokset ovat siis erinomaisia, ja kunhan dataa ehditään analysoida tarkemmin etenkin lennon myöhäisemmältä jaksolta, jolloin GRAIL oli siirtynyt 55 km:n korkeudesta alemmalle noin 23 km:n radalle, tulee erittäin moni käsitys Kuun olemuksesta muuttumaan. Ebb ja Flow ovat nyt työnsä tehneet, ja poistuvat näyttämöltä komeasti. Toivotaan, että LRO:n LAMP-instrumentti saa törmäyksistä jotain irtikin, jolloin myös luotainten viimeinenkin matka auttaisi ymmärtämään Kuuta entistä paremmin. Kävi siinä miten hyvänsä, itse ainakin aion nostaa GRAILin maljan.