Nowe badanie wykazało, że niemal niewidoczna atmosfera księżycowa jest prawdopodobnie efektem uderzeń meteorytów na przestrzeni miliardów lat.
Chociaż na księżycu nie ma żadnego powietrza nadającego się do oddychania, to jednak ma on atmosferę, która jest ledwie widoczna. Od lat 80. astronomowie obserwują bardzo cienką warstwę atomów odbijającą się od powierzchni księżyca. Ta delikatna atmosfera – technicznie znana jako „egzosfera” – jest prawdopodobnie produktem jakiegoś rodzaju kosmicznego wietrzenia. Jednak trudno jest dokładnie określić, jakie to mogą być procesy.
Teraz naukowcy z MIT i University of Chicago twierdzą, że zidentyfikowali główny proces, który uformował atmosferę księżyca i nadal ją podtrzymuje. W badaniu opublikowanym dzisiaj w Postępy nauki zespół donosi, że atmosfera księżycowa jest przede wszystkim produktem „odparowania uderzeniowego”.
W swoich badaniach naukowcy przeanalizowali próbki księżycowej gleby zebrane przez astronautów podczas misji Apollo NASA. Ich analiza sugeruje, że w ciągu 4,5-miliardowej historii księżyca jego powierzchnia była nieustannie bombardowana, najpierw przez masywne meteoryty, a ostatnio przez mniejsze, wielkości pyłu „mikrometeoroidy”. Te nieustanne uderzenia podniosły księżycową glebę, odparowując niektóre atomy w kontakcie i unosząc cząsteczki w powietrze. Niektóre atomy są wyrzucane w przestrzeń kosmiczną, podczas gdy inne pozostają zawieszone nad księżycem, tworząc rzadką atmosferę, która jest stale uzupełniana, gdy meteoryty nadal uderzają w powierzchnię.
Naukowcy odkryli, że parowanie uderzeniowe jest głównym procesem, dzięki któremu księżyc wytworzył i utrzymywał swoją niezwykle cienką atmosferę przez miliardy lat.
„Dajemy jednoznaczną odpowiedź, że parowanie uderzeń meteorytów jest dominującym procesem, który tworzy atmosferę księżyca” — mówi główna autorka badania, Nicole Nie, adiunkt w Katedrze Nauk o Ziemi, Atmosferze i Planetach MIT. „Księżyc ma prawie 4,5 miliarda lat i przez ten czas powierzchnia była nieustannie bombardowana meteorytami. Wykazaliśmy, że ostatecznie cienka atmosfera osiąga stan stacjonarny, ponieważ jest stale uzupełniana przez małe uderzenia na całym księżycu”.
Współautorami Nie są Nicolas Dauphas, Zhe Zhang i Timo Hopp z Uniwersytetu w Chicago oraz Menelaos Sarantos z Centrum Lotów Kosmicznych NASA Goddard.
Role Weatheringa
W 2013 r. NASA wysłała orbiter wokół Księżyca, aby przeprowadzić szczegółowe rozpoznanie atmosferyczne. Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer (LADEE, wymawiane „laddie”) otrzymał zadanie zdalnego zbierania informacji o cienkiej atmosferze Księżyca, warunkach powierzchni i wszelkich wpływach środowiskowych na pył księżycowy.
Misja LADEE została zaprojektowana w celu ustalenia pochodzenia atmosfery księżyca. Naukowcy mieli nadzieję, że zdalne pomiary składu gleby i atmosfery sondy mogą korelować z pewnymi procesami wietrzenia kosmicznego, które mogłyby wyjaśnić, w jaki sposób powstała atmosfera księżyca.
Naukowcy podejrzewają, że dwa procesy wietrzenia przestrzeni kosmicznej odgrywają rolę w kształtowaniu atmosfery księżycowej: parowanie uderzeniowe i „rozpylanie jonów” – zjawisko obejmujące wiatr słoneczny, który przenosi energetyczne naładowane cząstki ze słońca przez przestrzeń kosmiczną. Gdy te cząstki uderzają w powierzchnię księżyca, mogą przekazać swoją energię atomom w glebie i spowodować rozpylenie tych atomów i ich uniesienie w powietrze.
„Na podstawie danych LADEE wydawało się, że oba procesy odgrywają rolę” — mówi Nie. „Na przykład, pokazało, że podczas deszczu meteorytów widać więcej atomów w atmosferze, co oznacza, że uderzenia mają wpływ. Ale pokazało również, że gdy księżyc jest osłonięty od słońca, na przykład podczas zaćmienia, zachodzą również zmiany w atomach atmosfery, co oznacza, że słońce również ma wpływ. Tak więc wyniki nie były jasne ani ilościowe”.
Odpowiedzi w glebie
Aby dokładniej określić pochodzenie atmosfery księżycowej, Nie przyjrzała się próbkom gleby księżycowej zebranym przez astronautów podczas misji Apollo NASA. Ona i jej koledzy z University of Chicago pozyskali 10 próbek gleby księżycowej, każda ważąca około 100 miligramów – niewielka ilość, która według jej szacunków zmieściłaby się w jednej kropli deszczu.
Nie próbował najpierw wyizolować dwóch pierwiastków z każdej próbki: potasu i rubidu. Oba pierwiastki są „lotne”, co oznacza, że łatwo odparowują pod wpływem uderzeń i rozpylania jonowego. Każdy pierwiastek występuje w postaci kilku izotopów. Izotop jest odmianą tego samego pierwiastka, która składa się z tej samej liczby protonów, ale nieco innej liczby neutronów. Na przykład potas może występować jako jeden z trzech izotopów, z których każdy ma o jeden neutron więcej i jest nieco cięższy od poprzedniego. Podobnie istnieją dwa izotopy rubidu.
Zespół doszedł do wniosku, że jeśli atmosfera księżyca składa się z atomów, które odparowały i uniosły się w powietrzu, lżejsze izotopy tych atomów powinny być łatwiej unoszone, podczas gdy cięższe izotopy miałyby większe prawdopodobieństwo ponownego osadzenia się w glebie. Ponadto naukowcy przewidują, że odparowanie uderzeniowe i rozpylanie jonów powinno skutkować bardzo różnymi proporcjami izotopów w glebie. Konkretny stosunek lekkich do ciężkich izotopów, które pozostają w glebie, zarówno w przypadku potasu, jak i rubidu, powinien następnie ujawnić główny proces przyczyniający się do powstania atmosfery księżyca.
Mając to wszystko na uwadze, Nie przeanalizowała próbki Apollo, najpierw krusząc gleby na drobny proszek, a następnie rozpuszczając proszki w kwasach, aby oczyścić i wyizolować roztwory zawierające potas i rubid. Następnie przepuściła te roztwory przez spektrometr masowy, aby zmierzyć różne izotopy potasu i rubidu w każdej próbce.
Ostatecznie zespół odkrył, że gleby zawierały głównie ciężkie izotopy potasu i rubidu. Naukowcy byli w stanie określić stosunek ciężkich do lekkich izotopów potasu i rubidu, a porównując oba pierwiastki, odkryli, że odparowanie uderzeniowe było najprawdopodobniej dominującym procesem, w którym atomy są odparowywane i unoszone, tworząc atmosferę księżyca.
„W przypadku parowania uderzeniowego większość atomów pozostałaby w atmosferze księżyca, podczas gdy w przypadku rozpylania jonowego wiele atomów zostałoby wyrzuconych w przestrzeń kosmiczną” — mówi Nie. „Dzięki naszym badaniom możemy teraz określić rolę obu procesów, aby stwierdzić, że względny udział parowania uderzeniowego w porównaniu z rozpylaniem jonowym wynosi około 70:30 lub więcej”. Innymi słowy, 70 procent lub więcej atmosfery księżyca jest produktem uderzeń meteorytów, podczas gdy pozostałe 30 procent jest konsekwencją wiatru słonecznego.
„Odkrycie tak subtelnego efektu jest niezwykłe dzięki nowatorskiemu pomysłowi połączenia pomiarów izotopów potasu i rubidu z ostrożnym, ilościowym modelowaniem” — mówi Justin Hu, postdoktorant badający gleby księżycowe na Uniwersytecie Cambridge, który nie brał udziału w badaniu. „To odkrycie wykracza poza zrozumienie historii księżyca, ponieważ takie procesy mogły mieć miejsce i mogą być bardziej znaczące na innych księżycach i asteroidach, które są przedmiotem wielu planowanych misji powrotnych”.
„Bez tych próbek Apollo nie bylibyśmy w stanie uzyskać precyzyjnych danych i dokonać pomiarów ilościowych, aby zrozumieć rzeczy bardziej szczegółowo” — mówi Nie. „Ważne jest dla nas przywiezienie próbek z Księżyca i innych ciał planetarnych, abyśmy mogli stworzyć wyraźniejszy obraz powstawania i ewolucji Układu Słonecznego”.
