Ledwie występująca atmosfera księżycowa jest prawdopodobnie produktem uderzeń meteorytów na przestrzeni miliardów lat.
Naukowcy przy MIT i Uniwersytet w Chicago odkryli, że cienka atmosfera Księżyca, egzosfera, jest w dużej mierze utworzona i utrzymywana w procesie odparowania uderzeniowego, będącego wynikiem ciągłego bombardowania meteorytami. Analiza próbek gleby księżycowej z misji Apollo ujawniła, że proces ten dominował w składzie atmosfery na przestrzeni miliardów lat.
Odsłonięcie egzosfery Księżyca
Chociaż na Księżycu nie ma powietrza, którym można by oddychać, panuje na nim ledwie występująca atmosfera. Od lat 80. XX wieku astronomowie obserwują bardzo cienką warstwę atomów odbijającą się od powierzchni Księżyca. Ta delikatna atmosfera – technicznie znana jako „egzosfera” – jest prawdopodobnie produktem pewnego rodzaju kosmicznego wietrzenia. Trudno jednak z całą pewnością określić, na czym dokładnie mogą polegać te procesy.
Teraz naukowcy z MIT i Uniwersytetu w Chicago twierdzą, że zidentyfikowali główny proces, który utworzył atmosferę księżycową i który nadal ją podtrzymuje. W badaniu opublikowanym niedawno w Postęp naukizespół podaje, że atmosfera księżycowa jest przede wszystkim produktem „parowania uderzeniowego”.
Rola uderzeń meteorytów
W swoich badaniach naukowcy przeanalizowali próbki gleby księżycowej pobrane przez astronautów NASAmisji Apollo. Ich analiza sugeruje, że w ciągu 4,5 miliarda lat historii Księżyca jego powierzchnia była nieustannie bombardowana, najpierw przez masywne meteoryty, a później przez mniejsze „mikrometeoroidy” wielkości pyłu. Te ciągłe uderzenia wzburzyły glebę księżycową, wyparowując niektóre atomy w kontakcie i unosząc cząsteczki w powietrze. Niektóre atomy są wyrzucane w przestrzeń kosmiczną, podczas gdy inne pozostają zawieszone nad Księżycem, tworząc cienką atmosferę, która jest stale uzupełniana, gdy meteoryty nadal uderzają w powierzchnię.
Naukowcy odkryli, że parowanie uderzeniowe to główny proces, w wyniku którego Księżyc wytworzył i utrzymał swoją niezwykle cienką atmosferę przez miliardy lat.
„Udzielamy ostatecznej odpowiedzi, że parowanie w wyniku uderzenia meteorytu jest dominującym procesem tworzącym atmosferę księżycową” – mówi główna autorka badania, Nicole Nie, adiunkt na Wydziale Nauk o Ziemi, Atmosferze i Planetach MIT. „Księżyc ma prawie 4,5 miliarda lat i przez ten czas jego powierzchnia była nieustannie bombardowana przez meteoryty. Pokazujemy, że w końcu rzadka atmosfera osiąga stan ustalony, ponieważ jest stale uzupełniana przez niewielkie uderzenia na całym Księżycu.”
Współautorami Nie są Nicolas Dauphas, Zhe Zhang i Timo Hopp z Uniwersytetu w Chicago oraz Menelaos Sarantos z NASA Goddard Space Flight Center.
Badanie pochodzenia atmosfery księżycowej
W 2013 roku NASA wysłała orbitę wokół Księżyca w celu przeprowadzenia szczegółowego rozpoznania atmosfery. Eksplorator atmosfery i środowiska pyłu Księżyca (LADEE, wymawiane „laddie”) otrzymał zadanie zdalnego gromadzenia informacji o cienkiej atmosferze Księżyca, stanie powierzchni i wszelkich wpływach środowiska na pył księżycowy.
Misja LADEE miała na celu ustalenie pochodzenia atmosfery księżyca. Naukowcy mieli nadzieję, że zdalne pomiary składu gleby i atmosfery wykonane przez sondę mogą korelować z pewnymi procesami wietrzenia kosmicznego, które następnie będą w stanie wyjaśnić, w jaki sposób powstała atmosfera Księżyca.
Naukowcy podejrzewają, że w kształtowaniu atmosfery księżycowej rolę odgrywają dwa procesy wietrzenia kosmicznego: parowanie uderzeniowe i „rozpylanie jonów” – zjawisko związane z wiatrem słonecznym, który przenosi energetyczne naładowane cząstki ze Słońca w przestrzeń kosmiczną. Kiedy te cząstki uderzają w powierzchnię Księżyca, mogą przekazać swoją energię atomom w glebie, powodując rozpylanie tych atomów i uniesienie ich w powietrze.
„Na podstawie danych LADEE wydawało się, że oba procesy odgrywają rolę” – mówi Nie. „Wykazano na przykład, że podczas deszczu meteorytów w atmosferze widać więcej atomów, co oznacza, że uderzenia mają wpływ. Ale pokazało również, że gdy Księżyc jest osłonięty przed słońcem, na przykład podczas zaćmienia, zachodzą również zmiany w atomach atmosfery, co oznacza, że słońce również ma na to wpływ. Dlatego wyniki nie były jasne ani ilościowe”.
Analiza naukowa próbek księżycowych
Aby dokładniej określić pochodzenie atmosfery księżycowej, Nie przyjrzał się próbkom księżycowej gleby pobranym przez astronautów podczas misji Apollo. Ona i jej koledzy z Uniwersytetu w Chicago pobrali 10 próbek księżycowej gleby, każda o masie około 100 miligramów – czyli niewielkiej ilości, która według niej zmieściłaby się w jednej kropli deszczu.
Nie starał się najpierw wyizolować z każdej próbki dwa pierwiastki: potas i rubid. Obydwa pierwiastki są „lotne”, co oznacza, że łatwo odparowują pod wpływem uderzeń i rozpylania jonów. Każdy pierwiastek występuje w postaci kilku izotopów. Izotop to odmiana tego samego pierwiastka, która składa się z tej samej liczby protonów, ale nieco innej liczby neutronów. Na przykład potas może występować w postaci jednego 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 zostały odparowane i zawieszone w powietrzu, lżejsze izotopy tych atomów powinny być łatwiej unoszone, podczas gdy cięższe izotopy z większym prawdopodobieństwem osiadają z powrotem w glebie. Co więcej, naukowcy przewidują, że parowanie uderzeniowe i rozpylanie jonów powinno skutkować bardzo różnymi proporcjami izotopów w glebie. Specyficzny stosunek izotopów lekkich do ciężkich, które pozostają w glebie, zarówno w przypadku potasu, jak i rubidu, powinien następnie ujawnić główny proces przyczyniający się do powstania atmosfery księżycowej.
Mając to wszystko na uwadze, Nie przeanalizował próbki Apollo, najpierw miażdżąc gleby na drobny proszek, a następnie rozpuszczając proszki w kwasach w celu oczyszczenia i wyizolowania roztworów zawierających potas i rubid. Następnie przepuściła te roztwory przez spektrometr mas, aby zmierzyć różne izotopy potasu i rubidu w każdej próbce.
Ostatecznie zespół odkrył, że gleby zawierały głównie ciężkie izotopy zarówno potasu, jak i rubidu. Naukowcom udało się ilościowo określić stosunek ciężkich do lekkich izotopów potasu i rubidu, a porównując oba pierwiastki odkryli, że najprawdopodobniej dominującym procesem, podczas którego atomy są odparowywane i unoszone w górę, tworząc atmosferę księżyca, było odparowanie uderzeniowe.
„W przypadku odparowania uderzeniowego większość atomów pozostałaby w atmosferze księżycowej, podczas gdy w przypadku rozpylania jonowego wiele atomów zostałoby wyrzuconych w przestrzeń kosmiczną” – mówi Nie. „Na podstawie naszego badania możemy teraz określić ilościowo rolę obu procesów i stwierdzić, że względny udział odparowania uderzeniowego w porównaniu z rozpylaniem jonowym wynosi około 70:30 lub więcej”. Innymi słowy, co najmniej 70 procent atmosfery Księżyca jest efektem uderzeń meteorytów, podczas gdy pozostałe 30 procent to skutek działania wiatru słonecznego.
„Odkrycie tak subtelnego efektu jest niezwykłe dzięki innowacyjnemu pomysłowi połączenia pomiarów izotopów potasu i rubidu wraz ze starannym, ilościowym modelowaniem” – mówi Justin Hu, postdoc badający gleby księżycowe na Uniwersytecie w Cambridge, który nie był zaangażowany w badania badanie. „To odkrycie wykracza poza zrozumienie historii Księżyca, ponieważ takie procesy mogą zachodzić i mogą być bardziej znaczące na innych księżycach i asteroidach, na których koncentruje się wiele planowanych misji powrotnych”.
„Bez tych próbek Apollo nie bylibyśmy w stanie uzyskać dokładnych danych ani dokonać pomiarów ilościowych, aby zrozumieć sprawę bardziej szczegółowo” – mówi Nie. „Ważne jest dla nas sprowadzenie próbek z Księżyca i innych ciał planetarnych, abyśmy mogli uzyskać wyraźniejsze obrazy powstawania i ewolucji Układu Słonecznego”.
Odniesienie: „Księżycowy zapis utraty atmosfery w ciągu eonów” Nicole X. Nie, Nicolas Dauphas, Zhe J. Zhang, Timo Hopp i Menelaos Sarantos, 2 sierpnia 2024 r., Postęp nauki.
DOI: 10.1126/sciadv.adm7074
Prace te były częściowo wspierane przez NASA i National Science Foundation.
