En forskergruppe ledet av professor Hejiu Hui ved Nanjing University har analysert steinprøver fra Chang’e-6-oppdraget. Resultatene peker mot at enorme bevegelser i smeltet stein formet månen for flere milliarder år siden.

Forskerne undersøkte den kjemiske sammensetningen i tre typer månebergarter: anortositt, Mg-suite-bergarter og marebasalt. Prøvene fra månens bakside ble sammenlignet med materiale hentet fra forsiden under Apollo- og Chang’e-5-oppdragene.

Forskjellen mellom månens to sider er tydelig. Siden som vender mot jorden, har store, mørke sletter med vulkansk basalt og relativt høye konsentrasjoner av kalium, sjeldne jordartsmetaller og fosfor – samlet omtalt som KREEP. Baksiden domineres av gamle, kraftig kraterpregede høyland, med tykkere skorpe og langt færre vulkanske sletter.

Forskere har i flere tiår diskutert hva som kan ha skapt denne asymmetrien. Blant forslagene er ulik sirkulasjon i månens opprinnelige magmahav, en enorm kollisjon, oppvarming fra gravitasjonelle tidevannskrefter og en ujevn utvikling av måneskorpen. Ingen av forklaringene har hatt bred aksept.

Et sentralt spørsmål har vært om forskjellene også går dypt ned i månens mantel, eller om de hovedsakelig finnes ved overflaten og i skorpen.

Chang’e-6 ga forskerne en ny mulighet

I 2024 ble Chang’e-6 det første oppdraget som hentet prøver fra månens bakside. Det gjorde det mulig å sammenligne steiner fra begge halvkuler direkte.

Basaltene fra Chang’e-6 har kjemiske kjennetegn som tyder på at de stammer fra utarmet mantelmateriale. Det ligner på de titanfattige basaltprøvene som Apollo-astronautene tok med tilbake fra forsiden.

Dette tyder på at mantelkumulatene – mineralene som samlet seg da månens magmahav størknet – ikke har vesentlig ulik sammensetning på månens to sider. Forskerne fant ytterligere støtte for dette i Mg-suite-bergartene.

Disse bergartene dannes gjennom samspill mellom skorpe og mantel når deler av det oppsamlede mantelmaterialet delvis smelter. Tallet Mg#, eller magnesiumtallet, brukes som en indikator på sammensetningen til mantelmaterialet bergartene oppsto fra.

Mg#-verdiene i Mg-suite-prøver fra Chang’e-6 og Apollo er omtrent like. Forskerne konkluderer derfor med at mantelkumulatene under månens forside og bakside har overordnet like kjemiske egenskaper.

Større forskjeller i skorpen

Mens mantelen ser ut til å være relativt ensartet, viser måneskorpen en langt tydeligere kontrast.

Anortosittprøvene fra Chang’e-6 har høyere toppverdier for Mg# enn tilsvarende Apollo-prøver. Det tyder på at skorpen på baksiden inneholder mer magnesiumrikt materiale. Resultatet samsvarer med tidligere observasjoner fra instrumenter som har undersøkt månen på avstand.

Forskerne fant også kjemiske forskjeller i Mg-suite-bergartene. Prøvene fra Chang’e-6 inneholder svært lave konsentrasjoner av sjeldne jordartsmetaller og har lavere forhold mellom thorium og samarium, uttrykt som Th/Sm, enn Apollo-prøvene.

Forskjellene kan ha to forklaringer. Mg-suite-magmaene kan ha blitt dannet på baksiden uten vesentlig innblanding av KREEP-rikt materiale. Alternativt kan laget som inneholder disse grunnstoffene, ha utviklet seg ujevnt på månen, slik at de to sidene fikk ulik kjemisk sammensetning.

Foreslår varmedrevet sirkulasjon

På bakgrunn av funnene har forskerne utviklet en modell for hvordan månens to ulike ansikter kan ha blitt til.

I modellen kjølte og krystalliserte månens tidlige magmahav seg først på en forholdsvis ensartet måte. Prosessen dannet de første mantelkumulatene og den anortosittiske skorpen, før månen ble tidevannsbundet til jorden.

Da månen senere kom inn i en bane der den samme siden hele tiden vendte mot jorden, endret forholdene seg. Jorden og månen var da mye nærmere hverandre enn i dag, og gravitasjonelle tidevannskrefter skapte mer varme på månens forside enn på baksiden.

Den ujevne oppvarmingen ga en temperaturforskjell i månens smeltede indre og satte i gang en omfattende, horisontal sirkulasjon. Varm magma beveget seg fra forsiden mot baksiden og tok med seg magnesiumrikt anortosittmateriale som allerede var dannet.

Over tid samlet denne bevegelsen mer skorpemateriale på baksiden. Det kan forklare hvorfor denne siden utviklet en tykkere skorpe med høyere magnesiuminnhold.

Samtidig strømmet det gjenværende smeltematerialet i større grad mot forsiden. Dermed fikk baksiden bare relativt tynne lag beriket med KREEP og ilmenittholdige kumulater, kjent som IBC. Mer av dette sent dannede materialet ble i stedet konsentrert på forsiden.

Modellen gir dermed en mulig forklaring på hvordan månen kan ha fått en kjemisk forholdsvis lik mantel, men skorpelag med svært ulik sammensetning. Ved å koble Chang’e-6-prøvene til månens tidlige termiske utvikling beskriver forskerne en mulig mekanisme bak den markante forskjellen mellom månens to sider.