Als de grote successen van het Apollo-ruimtevaartprogramma ter sprake komen, gaat het meestal over de eerste voetstappen op de maan. Vanuit wetenschappelijk oogpunt is dat lang niet het belangrijkste wapenfeit van de Apollo-missies. Veel fundamenteler is de verzameling maanstenen die de astronauten hebben meegenomen.
De verzameling telt 382 kilogram stenen en regoliet of maanstof. Dat is de dikke laag verpulverde stenen en stof die het oppervlak van de maan en vele andere planeten bedekt. Samen vertegenwoordigen ze een rijke bron van informatie, wat ze van onschatbare waarde maakt.
Het is deels door die monsters te bestuderen dat de planeetwetenschap zich heeft kunnen ontplooien tot een volwaardige discipline. De monsters hebben geleid tot baanbrekende ontdekkingen over de geologische processen die zich op alle planeten en grote manen afspelen.
Ik was nog niet geboren toen de Apollo 11 lanceerde. Maar de monsters die de astronauten meenamen tijdens de zes missies die op de maan zijn geland, hebben wel een grote invloed gehad op mijn leven en mijn carrière als planeetwetenschapper.
Dit jaar worden maanmonsters vrijgegeven die bijna een halve eeuw ongeopend in de kast hebben gelegen
Voor een deel van mijn onderzoek richt ik me op lagen die zich na vulkaanuitbarstingen op het maanoppervlak hebben gevormd. De data die ik voor mijn experimenten heb gebruikt, waren afkomstig van monsters die astronauten tijdens de missies Apollo 15 en Apollo 17 eigenhandig hebben opgeraapt. Andere data waren afkomstig van ruimtesondes in een baan om de maan.
De afgelopen vijftig jaar heeft de NASA 3.190 verzoeken van ruim vijfhonderd wetenschappers uit meer dan vijftien landen ontvangen om onderzoek te mogen doen aan maanmonsters. Dat vertelt Ryan Zeigler, die bij de NASA de stenenverzameling beheert. Volgens hem heeft de ruimtevaartorganisatie in de loop der jaren meer dan vijftigduizend unieke maanmonsters uitgedeeld. Momenteel worden er ruim achtduizend bestudeerd door 145 onderzoekers, werkzaam in allerlei disciplines, van sterrenkunde tot geneeskunde.
Belangrijker dan dat is misschien wel dat die maanstenen bij drie grote kwesties tot revolutionaire nieuwe inzichten hebben geleid: hoe steekt het maanoppervlak in elkaar, hoe is de maan ontstaan en hoe is ons zonnestelsel geëvolueerd?
De Rosetta van de maan
Voordat we ruimtesondes en mensen naar de maan begonnen te sturen, was onze kennis van die natuurlijke satelliet volledig gebaseerd op waarnemingen die we vanaf de aarde konden doen.
Die observaties deden vermoeden dat het maanoppervlak heel oud moest zijn. Het lag met zoveel inslagkraters bezaaid dat het miljarden jaren moet hebben geduurd om zo’n groot aantal te bereiken.
Pas nadat we op de maan waren geland, wisten we het zeker. Geochemici zochten in de maanstenen die de astronauten hadden meegebracht naar isotopen met een bekende halfwaardetijd. Een isotoop is een atoom van een element met een andere massa dan de ‘normale’ atomen van dat element. Zo konden de onderzoekers vaststellen dat de maanmonsters veel ouder waren dan de meeste gesteenten op aarde: tussen de 3 en de 4,5 miljard jaar.
Vervolgens legden wetenschappers een verband dat gevolgen zou hebben voor praktisch alle latere onderzoeken van de maan en andere manen en planeten. Ze vergeleken de ouderdom van de monsters die waren genomen op de locatie waar de Apollo 11 was geland met het aantal inslagkraters in het gebied waar elk van de monsters was verzameld.
Via die vergelijking bouwden ze een model dat weergaf hoe snel inslagkraters ontstaan op het maanoppervlak. Dankzij dat model beschikken we nu over een soort Steen van Rosetta waarmee we de leeftijd van elke locatie op de maan kunnen inschatten zonder dat we er fysiek heen hoeven te gaan. Hetzelfde geldt voor andere manen en planeten.
Het oudste monster van de maan is 4,5 miljard jaar oud, ongeveer net zo oud als de maan zelf. De meeste aardgesteenten zijn veel jonger dan vier miljard jaar, doordat de aardkorst voortdurend wordt gerecycled door de platentektoniek. Dat proces doet zich op de maan niet voor. Maanmonsters bieden dus een waardevol inkijkje in de samenstelling van oeroude gesteenten uit de begindagen van ons zonnestelsel.
Wellicht kunnen ze ons ook iets vertellen over de jonge aarde. In maart analyseerden onderzoekers een gesteente van de Apollo-14-missie dat bestaat uit aangekleefde brokstukken. Ze ontdekten dat een van de brokstukken waarschijnlijk helemaal geen maansteen was, maar een stuk aards gesteente. Vermoedelijk is het vier miljard jaar geleden van de aarde weggeslingerd en als meteoriet op de maan ingeslagen. Miljarden jaren later raapte astronaut Alan Shepard het op en bracht het naar de aarde terug.
Gewelddadige geboorte
In de tijd vóór de Apollo-missies bedachten wetenschappers uiteenlopende scenario’s over hoe onze maan en de manen van andere planeten waren ontstaan. Misschien had de aarde een hemellichaam dat in een baan om de aarde is gesukkeld, of draaide onze planeet in zijn jonge jaren zo snel om zijn as dat er een stuk was losgeraakt en een satelliet was geworden. Een andere mogelijkheid is dat de aarde en de maan tegelijk zijn ontstaan uit de zogeheten protoplanetaire schijf die de oorsprong is van alle planeten in ons zonnestelsel.
Het oudste monster van de maan is 4,5 miljard jaar oud, ongeveer net zo oud als de maan zelf
Na de Apollo-missies begon zich een heel ander beeld af te tekenen. Vandaag heeft de grote-inslaghypo-these de meeste aanhangers (zie kaderstuk ‘Geologisch Cluedo’). Die theorie houdt in dat zo’n 4,5 miljard jaar geleden een hemellichaam ter grootte van Mars – genaamd Theia – is gebotst met de aarde. Bij die inslag brak Theia uiteen in brokstukken en slingerde een deel van de aardkorst en de aardmantel de ruimte in. Daar vermengde zich dat met de restanten van Theia. Nadat de boel was samengeklonterd en afgekoeld, werd het geheel uiteindelijk de maan.
Wat het grote-inslagmodel bemoeilijkt, is dat de Apollo-monsters diverse isotopen bevatten. In 2001 en in 2012 konden onderzoekers vaststellen dat de samenstelling van de isotopen van zuurstof en titanium op de maan vrijwel identiek is aan die op aarde. Als de maan ontstaan is uit een materialenmengsel van de aarde en van Theia, hoe kan het dan dat ze ongeveer dezelfde isotopensamenstelling vertoont als de aarde? Deze isotopenkwestie heeft onderzoekers aangezet tot nieuwe hypothesen, zoals het synestia-model van de planeetwetenschappers Simon Lock en Sarah Stewart.
Chaos in het zonnestelsel
Maanmonsters bestuderen heeft ons ook veel geleerd over andere manen en planeten. Misschien wel het belangrijkste resultaat is het Nice-model van de evolutie van ons zonnestelsel, genoemd naar de Franse stad waar het is ontwikkeld.
Een van de bekendste modellen voor het ontstaan van de maan, is het grote-inslagmodel. 4,5 miljard jaar geleden botste een hemellichaam ter grootte van Mars met de aarde. Bij die inslag slingerde een deel van de aardkorst en de aardmantel de ruimte in. Het vermengde zich met brokstukken van het hemellichaam en vormde zo de maan.
Het model is gebaseerd op waarnemingen aan de maanmonsters die de Apollo-astronauten hebben meegebracht en op experimenten die ze op het maanoppervlak hebben uitgevoerd. We noemen een paar voorbeelden:
IJzer: De maan bevat verrassend weinig ijzer. Uit experimenten tijdens Apollo-missies blijkt dat de kern van de maan slechts een heel klein deel uitmaakt van zijn volume – niet meer dan 25 procent van zijn straal. Dat de maan zo’n kleine kern heeft, doet vermoeden dat ze relatief weinig ijzer bevat. Dat is een aanwijzing dat de aarde al een ijzerrijke kern had gevormd op het moment dat de grote inslag plaatsvond, waardoor er nog maar weinig ijzer overbleef om de maan te vormen.
Droogte: De maanmonsters bleken uitzonderlijk droog te zijn en vrijwel geen vluchtige stoffen te bevatten. Dat zijn elementen of moleculen met een laag kookpunt die gemakkelijk verdampen, zoals water, kooldioxide, stikstof en waterstof. Een mogelijke verklaring is dat de enorme hoeveelheid energie en hitte die werd gegenereerd door de inslag de vluchtige stoffen heeft weggeblazen van de fragmenten van de protomaan.
Magma-oceaan: Een van de belangrijkste hypotheses waartoe de maanmonsters hebben geleid, is het idee dat er op de jonge maan een oceaan van magma was. Uit monsters van de Apollo-11-missie blijkt dat de lichtrijke, hooggelegen gebieden op de maan hoge concentraties van het mineraal plagioklaas bevatten. Afgaande op de textuur van de stenen die dat mineraal bevatten, lijkt het te zijn ontstaan uit een grote hoeveelheid gesmolten en afgekoeld gesteente. Eerdere robotmissies hadden soortgelijke stenen al aangetroffen op andere locaties. Daarom, en omdat de hooglanden over de hele maan verspreid liggen, moet de magmalaag een groot deel het maanoppervlak hebben bedekt. Nog geen half jaar nadat de eerste Apollo-monsters op aarde waren aangekomen, opperden twee onderzoekers die hypothese, los van elkaar. Tot vandaag werken wetenschappers het model verder uit.
Volgens dat model zijn de reuzenplaneten in het zonnestelsel aanvankelijk dichtbij elkaar ontstaan. Na honderden miljoenen jaren werd hun baan instabiel en verwijderden Saturnus, Uranus en Neptunus zich snel van de zon, tot ze in hun huidige baan in de buitenste regionen van het zonnestelsel terechtkwamen.
Door de beweging van de reuzenplaneten werd materiaal uit het buitengebied van het zonnestelsel, de Kuipergordel, naar binnen getrokken. Daar kwam het in botsing met manen en planeten en veroorzaakte het een enorme chaos in het gehele zonnestelsel.
Die hypothese klinkt vergezocht, maar ze verklaart een aantal waarnemingen over onze kosmische achtertuin die op het eerste gezicht niets met elkaar te maken hebben. Zo hebben onderzoekers onder meer via Apollo-monsters vastgesteld dat er ongeveer 700 miljoen jaar na het ontstaan van de planeten een dramatische piek te zien is in het aantal inslagen op de maan. Die periode staat bekend als het Late Heavy Bombardment.
Aanvankelijk konden ze die plotse toename van het aantal inslagen niet verklaren. Maar de chaotische periode die het Nice-model voorspelt, levert een bron van inslagen die precies in het juiste tijdvak valt.
De maanstenen vertellen ons niet alleen iets over de evolutie van het zonnestelsel, ze stellen wetenschappers ook in staat meer te weten te komen over de chemische evolutie van het oppervlak van planeten.
Op hemellichamen zonder dampkring doet zich een erosieproces voor dat ruimteverwering wordt genoemd. In grondmonsters die tijdens de Apollo-missies zijn genomen, hebben onderzoekers een soort druppeltjes van samengesmolten glas en mineralen aangetroffen. De druppels ontstaan door inslagen van microscopisch kleine stofdeeltjes. Mettertijd vormen zich steeds meer van die druppeltjes, zodat ze soms wel tot 70 procent van het regoliet uitmaken.
Door ruimteverwering ontstaan er ook minuscule bolletjes ijzer die zich afzetten op bepaalde korrels in het regoliet, zodat het oppervlak van een maan of planeet steeds donkerder wordt. We weten inmiddels dat onder andere de straling van de zon, grote temperatuurschommelingen en het constante bombardement met minuscule micrometeorieten belangrijke bronnen van ruimteverwering zijn.
Dark side of the moon
Het zijn spannende tijden voor maanwetenschappers. Dit jaar geeft de NASA voorraden maanmonsters vrij die bijna vijftig jaar in de kast hebben gelegen. Die stenen had de organisatie met opzet verzegeld gelaten en veilig opgeborgen, in afwachting van tijden waarin de technologie verder zou staan.
Een monster van het poolijs op de maan kan ons vertellen hoe oud het water op de maan is en waar het vandaan komt
In maart selecteerde het Apollo Next Generation Sample Analysis-programma negen onderzoeksteams die mogen beschikken over nog ongeopende, in vacuümverpakking bewaarde monsters van de missies van Apollo 15, 16 en 17. Nu we ‘nieuwe’ maanmonsters kunnen bestuderen, mogen we fundamentele ontdekkingen verwachten over het ontstaan en de evolutie van de maan.
En toch hebben we nog méér monsters nodig. Van de achterkant van de maan, bijvoorbeeld, want die hebben we nog niet. Hetzelfde geldt voor de poolgebieden en het inwendige van de maan.
Zelf zou ik heel graag monsters hebben van het Zuidpool-Aitken-bekken op de achterkant van de maan en ijs uit een poolkrater. Het Zuidpool-Aitken-bekken is wellicht de grootste inslagkrater op de maan – en een van de grootste in het zonnestelsel.
Mogelijk bevat het inwendige ervan materiaal van de onderste lagen van de korst of misschien zelfs van de mantel van de maan. Door het Zuidpool-Aitken-bekken te bestuderen kunnen we beter begrijpen hoe buitengewoon grote inslagkraters het oppervlak en het inwendige van een maan of planeet beïnvloeden.
Een monster van het poolijs op de maan zou ons ook iets kunnen vertellen over de ouderdom en de herkomst van het water op de maan. En dat zou weer kunnen ophelderen waar het water op aarde vandaan is gekomen.
Voor de monsters op dit verlanglijstje moeten we bemande missies of robotmissies uitsturen. Planeetwetenschappers zijn er nog niet over uit welke optie de beste is. In China blijven ze in elk geval niet bij de pakken zitten. Op 3 januari maakte een rover van de Chang’e 4-maanmissie de eerste zachte landing op de achterkant van de maan.
Meer dan een robot is de mens geneigd een grotere verscheidenheid aan ongewone monsters te selecteren, zoals wel blijkt uit de diversiteit van de monsters die de Apollo-bemanningen hebben verzameld. Daar zat wat tussen: stenen, opgeschepte en gezeefde grondmonsters, scherven die van grote rotsblokken zijn afgebikt, boorkernen. Ook het volume en de geologische aspecten van de monsters vertoonden een mooie verscheidenheid.
De Apollo-missies waren een uitzonderlijke prestatie die onze kijk op het zonnestelsel fundamenteel heeft veranderd. Nu we de vijftigste verjaardag vieren van die reusachtige sprong van de mensheid, moeten we ook bedenken dat geen mens nog een voet op een ander hemellichaam heeft gezet sinds Harrison Schmitt en wijlen Gene Cernan aan het eind van de Apollo-17-missie opstegen van het maanoppervlak, op 14 december 1972.
Als wetenschapper die in hart en ziel geïnspireerd is door die missies zet ik mij actief in om ook de huidige generatie in staat te stellen haar eigen ‘Apollo-moment’ te beleven. Dat er opnieuw mensen op de maan landen, dat het gezelschap deze keer wat diverser mag zijn, en dat het gedreven is door vernuft, doorzettingsvermogen en een onstilbare drang om het onbekende te verkennen.
