De maan — onze natuurlijke satelliet

Kijk omhoog op een heldere nacht en je ziet haar direct: de maan, verreweg het helderste object aan de nachtelijke hemel en het dichtstbijzijnde hemellichaam dat de aarde kent. De maan is al miljarden jaren de trouwe metgezel van onze planeet. Ze regelt de getijden in de oceanen, heeft de rotatiesnelheid van de aarde door de tijd heen afgeremd en speelde mogelijk een rol in de ontwikkeling van het leven. Toch hebben we haar pas echt leren kennen in de twintigste eeuw, toen de ruimtewedloop en uiteindelijk de eerste menselijke landing in 1969 ons in staat stelden haar van dichtbij te bestuderen.

De maan is in de wetenschap en in de cultuur altijd een bijzonder object geweest. Astronomen van de oudheid maten haar afstand met verrassende nauwkeurigheid. Dichters en schrijvers zagen er een spiegel van menselijke gevoelens in. En ruimtevaarders van de eenentwintigste eeuw beschouwen haar als een springplank naar verdere verkenning van het zonnestelsel. Om de maan echt te begrijpen, moeten we beginnen bij de meest fundamentele vragen: hoe groot is ze, hoe ver weg is ze, en hoe is ze ooit ontstaan?

Afstand en grootte

De gemiddelde afstand van de maan tot de aarde bedraagt ongeveer 384.400 kilometer. Dat klinkt enorm, maar in kosmische termen is dit onvoorstelbaar dichtbij: licht legt die afstand af in iets meer dan één seconde. De maan bevindt zich niet altijd op precies dezelfde afstand: de baan van de maan om de aarde is licht elliptisch, wat betekent dat ze in haar dichtstbijzijnde punt (het perigeum, circa 356.000 km) merkbaar groter aan de hemel verschijnt dan in haar verste punt (het apogeum, circa 407.000 km). Dit fenomeen ligt ten grondslag aan de populaire term “supermaan”, al zijn de zichtbare verschillen voor het blote oog bescheidener dan vaak wordt gesuggereerd.

De diameter van de maan bedraagt circa 3.474 kilometer, wat haar tot een aanzienlijk hemellichaam maakt vergeleken met de aardemaan-verhoudingen elders in het zonnestelsel. De aarde is ongeveer 3,7 keer zo groot in diameter. De massa van de maan is zo'n 1,2 procent van die van de aarde. Die substantiële massa, gecombineerd met de relatief korte afstand, heeft grote gevolgen voor de aarde — met name voor de getijden, waarover later meer.

Het ontstaan: de inslag-hypothese

Hoe is de maan ontstaan? Dit was lange tijd een van de meest intrigerende open vragen in de planetaire wetenschap. Vroege theorieën varieerden van de gedachte dat de maan ooit deel uitmaakte van de aarde en eraf was geslingerd, tot de hypothese dat ze ergens anders was ontstaan en later door de aardse zwaartekracht was gevangen. Geen van die vroege modellen kon alle bekende feiten goed verklaren.

De theorie die tegenwoordig het breedst wordt geaccepteerd, is de zogeheten inslag-hypothese (ook wel de “Giant Impact”-hypothese of Theia-hypothese). Volgens dit model werd de jonge aarde, ongeveer 4,5 miljard jaar geleden, getroffen door een groot hemellichaam met de grootte van ruwweg Mars — in dit model aangeduid als Theia. Deze botsing vond plaats in een tijd dat het zonnestelsel nog volop in opbouw was en grote objecten regelmatig met elkaar in aanvaring kwamen.

Bij die inslag werd een enorme hoeveelheid materiaal in een baan om de aarde geslingerd: deels afkomstig van Theia, deels van de buitenste lagen van de vroege aarde zelf. Dit materiaal klonterde in relatief korte tijd samen tot de maan. De inslag-hypothese verklaart waarom de maan in verhouding zo groot is, waarom haar samenstelling sterke overeenkomsten vertoont met de aardmantel, en ook waarom ze relatief weinig vluchtige elementen bevat — die zijn bij de hete botsing vervluchtigd. De maangesteente dat de Apollo-missies meebrachten, heeft de inslag-hypothese aanzienlijk versterkt door de isotopische overeenkomsten met aardgesteente te bevestigen.

Gebonden rotatie: altijd dezelfde kant

Er is iets opvallends aan de maan dat je misschien nooit bewust hebt overwogen: je ziet altijd dezelfde kant. Het “gezicht” van de maan — de donkere vlakken en de heldere hooglanden die mensen door de eeuwen heen hebben geïnterpreteerd als hazen, gezichten of andere figuren — is altijd identiek. De achterkant van de maan was voor mensen onzichtbaar totdat ruimtesondes in de twintigste eeuw er voor het eerst omheen vlogen.

Dit verschijnsel heet gebonden rotatie (in het Engels: tidal locking). Het betekent dat de rotatietijd van de maan om haar eigen as precies even lang is als haar omlooptijd om de aarde: beide bedragen zo'n 27,3 dagen. Dit is geen toeval: het is het gevolg van getijdenwrijving door de aardse zwaartekracht die over miljarden jaren de rotatiesnelheid van de maan heeft afgeremd totdat ze precies synchroniseerde met de omlooptijd. Vrijwel alle grote manen in het zonnestelsel vertonen dit verschijnsel tegenover hun moederplaneet.

De achterkant van de maan is daardoor voor mensen altijd een mysterie gebleven totdat de Sovjet-sonde Loena 3 in 1959 de eerste foto's maakte. Wat bleek: de achterkant lijkt sterk op de voorkant qua gesteente en inslagkraters, maar heeft veel minder van de donkere vlakten (zeeën) die de voorkant zo kenmerkend maken. De reden voor dit verschil is nog niet volledig opgehelderd, maar hangt waarschijnlijk samen met de dikkere korst aan de achterkant van de maan.

De invloed op de getijden

De meest directe invloed van de maan op het dagelijks leven op aarde is die op de getijden. De zwaartekracht van de maan trekt aan de oceanen van de aarde en veroorzaakt een bulting van het water aan de kant die naar de maan gericht is. Tegelijkertijd ontstaat aan de tegenovergestelde kant van de aarde eveneens een bulting door traagheidseffecten. Terwijl de aarde onder deze twee bultingen roteert, ervaart een punt op het aardoppervlak twee keer per etmaal een hoogwater en twee keer een laagwater — althans in de meeste kustgebieden, want de lokale geografie kan de getijdenpatronen sterk beïnvloeden.

De zon oefent ook getijdenkrachten uit op de aarde, maar vanwege de enorme afstand is dit effect maar iets meer dan een derde van de invloed van de maan. Wanneer zon, aarde en maan op één lijn staan — tijdens nieuwe maan of volle maan, zoals uitgelegd bij de maanfasen — versterken de getijdenkrachten van zon en maan elkaar. Dit levert de zogeheten springvloeden op, de hoogste hoogwaters en laagste laagwaters. Wanneer zon en maan loodrecht op elkaar staan ten opzichte van de aarde, is de combinatie het zwakst: dat zijn de doodtij-perioden.

De getijden hebben ook een terugwerkend effect op de maan zelf. Door de getijdenwrijving verliest de aarde langzaam rotatie-energie, waardoor onze dag heel geleidelijk langer wordt. Die energie wordt overgedragen aan de maan, die daardoor in een baan terechtkomt die steeds iets verder van de aarde verwijderd is. De maan beweegt zich dan ook per jaar circa 3,8 centimeter van de aarde weg — een minuscuul maar meetbaar effect dat wordt bevestigd door de laserreflector die bij Apollo 11 op de maan is achtergelaten.

Het maanoppervlak: zeeën en hooglanden

Het maanoppervlak is bij nadere beschouwing een rijk gelaagd archief van miljarden jaren planetaire geschiedenis. Het valt uiteen in twee fundamenteel verschillende soorten terrein: de donkere, relatief vlakke maria (enkelvoud: mare, Latijn voor “zee”) en de heldere, sterk bebotserde hooglanden.

De naam “zeeën” is een erfenis van vroege telescopisten die deze donkere vlakten voor echte oceanen aanzagen. Ze bestaan in werkelijkheid uit gestold basaltisch lava dat is uitgestroomd nadat grote inslagen de maankorst hadden doorgebroken. De bekendste zijn de Zee der Rust (Mare Tranquillitatis), waar Apollo 11 landde, de Zee der Regens (Mare Imbrium) en de Oceaan der Stormen (Oceanus Procellarum). De zeeën zijn geologisch jonger dan de hooglanden en bevatten daardoor minder inslagkraters.

De hooglanden zijn de lichte, sterk gecratered delen van het maanoppervlak. Ze vertegenwoordigen de oorspronkelijke korst van de maan en zijn ouder dan de zeeën — sommige gebieden zijn meer dan vier miljard jaar oud. De enorme hoeveelheid maankraters in de hooglanden is het gevolg van een periode van intense meteorietbombardement die de vroege maan trof, het zogeheten “Late Zware Bombardement” dat men dateert op zo'n vier miljard jaar geleden.

Atmosfeer, temperatuur en maanstof

De maan heeft vrijwel geen atmosfeer. Wat er is, wordt een exosfeer genoemd: een uiterst ijle omhulling van losse gasdeeltjes die zo weinig talrijk zijn dat ze nauwelijks met elkaar botsen. Zonder noemenswaardige atmosfeer is er geen bescherming tegen meteorieten, kosmische straling of ultraviolette zonnestraling, en zijn er ook geen weersomstandigheden zoals wind of neerslag.

Het gevolg van het ontbreken van een atmosfeer is ook een extreme range van oppervlaktetemperaturen. Op de naar de zon gerichte kant kan het oplopen tot meer dan 120 graden Celsius, terwijl het aan de nachtelijke kant kan dalen tot ruim 170 graden Celsius onder nul. In de permanent beschaduwde kraters bij de maanpolen kunnen temperaturen zelfs tot circa 240 graden Celsius onder nul zakken — koud genoeg om waterijs voor miljarden jaren te bewaren, zoals het Chandrayaan-programma en diverse andere missies hebben aangetoond.

Een bijzonder kenmerk van het maanoppervlak is het fijne stof dat alles bedekt. Dit maanstof bestaat uit uiterst kleine, scherpe deeltjes van verbrijzeld gesteente die door miljarden jaren van meteorietinslagen zijn gevormd. Omdat er geen wind of water is om de deeltjes te slijpen, zijn ze onder een microscoop scherp en hoekig — in tegenstelling tot het zand op aarde dat door erosie afgerond is. De Apollo-astronauten ondervonden dat dit stof hardnekkig bleef kleven aan ruimtepakken, apparatuur en vrijwel alles wat ze aanraakten.

De maan in de toekomst

De maan is opnieuw het brandpunt geworden van internationale ruimtevaartambities. Met het Artemis-programma wil NASA, samen met internationale partners, astronauten terugsturen naar de maan, ditmaal voor langdurig wetenschappelijk onderzoek en de voorbereiding van eventuele bases bij de zuidpool. Ook het Chinese Chang'e-programma en het Indiase Chandrayaan-programma richten zich op de maanzuidpool, vanwege de mogelijke aanwezigheid van waterijs dat essentieel zou zijn voor het in stand houden van een bemande aanwezigheid.

De maan blijft ook wetenschappelijk onuitputtelijk. Vragen over haar precieze ontstaansgeschiedenis, de details van de inslag-hypothese, de vulkanische activiteit in haar verleden, de hoeveelheid en verdeling van waterijs en de opbouw van haar inwendige zijn nog lang niet volledig beantwoord. Voor wie wil begrijpen hoe het binnenstelsel zich heeft ontwikkeld, is de maan — zo dichtbij, en toch zo onbekend — een onvervangbaar archief.