La storia del sistema Terra-Luna rimane misteriosa. Gli scienziati ritengono che il sistema si sia formato quando un corpo delle dimensioni di Marte si è scontrato con la proto-Terra. La Terra ha finito per essere la figlia più grande di questa collisione e ha mantenuto abbastanza calore per diventare tettonicamente attiva. La luna, essendo più piccolo, probabilmente si è raffreddato più velocemente e si è congelato geologicamente. L'apparente dinamismo precoce della luna sfida questa idea.

Nuovi dati suggeriscono che ciò è dovuto al fatto che gli elementi radioattivi sono stati distribuiti in modo univoco dopo la catastrofica collisione che ha formato la luna. Luna della Terra, insieme al sole, è un oggetto dominante nel cielo e offre molte caratteristiche osservabili che forniscono prove su come si è formato il pianeta e il sistema solare. La maggior parte dei pianeti del sistema solare ha satelliti. Per esempio, Marte ha due lune, Giove ne ha 79 e Nettuno ne ha 14. Alcune lune sono ghiacciate, alcuni sono rocciosi, alcuni sono ancora geologicamente attivi e altri relativamente inattivi. Come i pianeti hanno ottenuto i loro satelliti e perché hanno le proprietà che hanno sono domande che potrebbero far luce su molti aspetti dell'evoluzione del primo sistema solare.

La luna è un corpo roccioso relativamente freddo con una quantità limitata di acqua e poca trasformazione tettonica. Gli scienziati attualmente credono che il sistema Terra-Luna si sia formato quando un corpo delle dimensioni di Marte soprannominò Theia, che nella mitologia greca era la madre di Selene, la dea della luna - si scontrò catastroficamente con la proto-Terra, causando la miscelazione dei componenti di entrambi i corpi.

Si pensa che i detriti di questa collisione si siano rapidamente separati per formare la Terra e la luna, forse tra qualche milione di anni. La Terra finì per essere più grande, e le sue dimensioni erano giuste per farlo diventare un pianeta dinamico con un'atmosfera e oceani. La luna della Terra finì per essere più piccola e non aveva una massa sufficiente per ospitare queste caratteristiche. Così, grazie alla dinamica della collisione che ha formato il sistema Terra-Luna, La Terra mostra idiosincrasie come trattenere sostanze volatili come l'acqua o i gas che formano l'atmosfera, e avere sufficiente calore interno per mantenere il vulcanismo planetario e la tettonica a lungo termine. Decenni di osservazioni hanno dimostrato che la storia lunare è stata molto più dinamica del previsto, con attività vulcanica e magnetica avvenuta fino a 1 miliardo di anni fa, molto più tardi del previsto.

Un indizio sul perché il lato vicino e quello lontano della luna sono così diversi viene dalla forte asimmetria osservabile nelle sue caratteristiche superficiali. Sul lato vicino della luna, perennemente rivolto verso la Terra, macchie scure e chiare sono osservabili ad occhio nudo. I primi astronomi chiamarono queste regioni oscure "maria, "Latino per 'mari, " pensando che fossero corpi d'acqua per analogia con la Terra. Usando i telescopi, gli scienziati sono stati in grado di capire più di un secolo fa che questi non erano in realtà mari, ma più probabilmente crateri o caratteristiche vulcaniche.

Allora, la maggior parte degli scienziati ha ipotizzato il lato nascosto della luna, che non avrebbero mai potuto vedere, era più o meno come il lato vicino.

Però, perché la luna è relativamente vicina alla Terra, solo circa 380, 000 km di distanza, la luna è stato il primo corpo del sistema solare che gli umani sono stati in grado di esplorare, prima utilizzando veicoli spaziali senza equipaggio e poi missioni con equipaggio. Tra la fine degli anni Cinquanta e l'inizio degli anni Sessanta, le sonde spaziali senza equipaggio lanciate dall'URSS hanno restituito le prime immagini del lato nascosto della luna, e gli scienziati furono sorpresi di scoprire che le due parti erano molto diverse. L'altro lato non aveva quasi nessuna maria. Solo l'1% del lato opposto era coperto da maria rispetto a circa il 31% del lato vicino. Gli scienziati erano perplessi, ma sospettavano che questa asimmetria offrisse indizi su come si fosse formata la luna.

Tra la fine degli anni '60 e l'inizio degli anni '70, Le missioni Apollo della NASA hanno fatto atterrare sei veicoli spaziali sulla luna, e gli astronauti hanno riportato 382 kg di rocce lunari per cercare di capire l'origine della luna usando l'analisi chimica. Avendo campioni in mano, gli scienziati hanno rapidamente capito che la relativa oscurità di queste macchie era dovuta alla loro composizione geologica, ed erano, infatti, attribuibile al vulcanismo. Hanno anche identificato un nuovo tipo di firma rocciosa che hanno chiamato KREEP, abbreviazione di roccia arricchita in potassio (simbolo chimico K), elementi delle terre rare (REE, che includono cerio, disprosio, erbio, europio, e altri elementi rari sulla Terra) e fosforo (simbolo chimico P), che era associato alla maria. Ma perché il vulcanismo e questa firma KREEP dovessero essere distribuiti in modo così disomogeneo tra i lati vicino e lontano della luna ha presentato un enigma.

Ora, utilizzando una combinazione di osservazione, esperimenti di laboratorio e modellazione al computer, scienziati dell'Earth-Life Science Institute presso il Tokyo Institute of Technology, l'Università della Florida, la Carnegie Institution for Science, Università di Towson, Il Johnson Space Center della NASA e l'Università del New Mexico hanno scoperto nuovi indizi su come la luna ha acquisito la sua asimmetria del lato vicino e del lato lontano. Questi indizi sono legati a un'importante proprietà di KREEP.

potassio (K), il torio (Th) e l'uranio (U) sono elementi radioattivamente instabili. Ciò significa che si verificano in una varietà di configurazioni atomiche che hanno un numero variabile di neutroni. Questi atomi a composizione variabile sono noti come isotopi, alcuni dei quali sono instabili e si sfaldano per produrre altri elementi, producendo calore.

Il calore del decadimento radioattivo di questi elementi può fondere le rocce in cui sono contenuti, il che può in parte spiegare la loro co-localizzazione.

Questo studio mostra che, oltre al riscaldamento potenziato, l'inclusione di un componente KREEP nelle rocce abbassa anche la loro temperatura di fusione, aggravando l'attività vulcanica attesa da modelli di decadimento semplicemente radiogenico. Poiché la maggior parte di questi flussi di lava sono stati collocati all'inizio della storia lunare, questo studio aggiunge anche vincoli sui tempi dell'evoluzione della luna e sull'ordine in cui si sono verificati vari processi sulla luna.

Questo lavoro ha richiesto la collaborazione tra scienziati che lavorano sulla teoria e sull'esperimento. Dopo aver condotto esperimenti di fusione ad alta temperatura di rocce con vari componenti KREEP, il team ha analizzato le implicazioni che ciò avrebbe sui tempi e sul volume dell'attività vulcanica sulla superficie lunare, fornendo importanti informazioni sulle prime fasi dell'evoluzione del sistema Terra-Luna.

Il coautore di ELSI Matthieu Laneuville afferma:"A causa della relativa mancanza di processi di erosione, la superficie della luna registra eventi geologici della prima storia del sistema solare. In particolare, le regioni sul lato vicino della luna hanno concentrazioni di elementi radioattivi come U e Th a differenza di qualsiasi altra parte della luna. Comprendere l'origine di questi arricchimenti locali di U e Th può aiutare a spiegare le prime fasi della formazione della luna e, come conseguenza, condizioni sulla Terra primordiale."

I risultati di questo studio suggeriscono che i maria arricchiti con KREEP della luna hanno influenzato l'evoluzione lunare da quando si è formata la luna. Laneuville pensa che la prova di questo tipo di asimmetrie, processi di autoamplificazione potrebbero essere riscontrati in altre lune del nostro sistema solare, e può essere onnipresente sui corpi rocciosi in tutto l'universo.