Zespół naukowców ustalił niedawno, że większość stale zacienionych obszarów Księżyca (permanently shadowed regions, PSR) ma najwyżej około 3,4 miliarda lat i może zawierać stosunkowo młode pokłady lodu wodnego.
Zasoby wodne mają kluczowe znaczenie dla zrównoważonej eksploracji Księżyca i poza nim, ale odkrycia te wskazują, że wcześniejsze szacunki dotyczące lodu uwięzionego w zimnych obszarach mogły być przesadzone.
Obecne nachylenie osi obrotu Księżyca w połączeniu z nachyleniem jego orbity – kątem do płaszczyzny orbity Ziemi – oraz niskim kątem Słońca tworzy trwałe cienie na jego biegunach. PSR to jedne z najzimniejszych miejsc w Układzie Słonecznym, umożliwiające im wychwytywanie lotnych substancji chemicznych, w tym lodu wodnego, które w ostrym, pozbawionym powietrza słońcu, które pada w większości innych miejsc na Księżycu, natychmiast przekształcają się bezpośrednio ze stanu stałego w gaz.
Na ilustracji: Naukowcy badający dane z Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) znaleźli dowody na istnienie szronu powierzchniowego w pobliżu biegunów Księżyca łącząc dane dotyczące temperatury z instrumentu Diviner należącego do LRO z współczynnikiem odbicia z wysokościomierza laserowego (LOLA). To pozwoliło znaleźć miejsca, które są wystarczająco zimne i wystarczająco błyszczące, aby wskazywać możliwą obecność lodu na powierzchni. Źródło: NASA’s Scientific Visualization Studio.
Naukowcy uważają, że układ Ziemia-Księżyc powstał w wyniku gigantycznego zderzenia młodej Ziemi z inną protoplanetą. Księżyc powstał z dysku szczątków powstałych w wyniku uderzenia, z czasem migrując w kierunku od Ziemi. Około 4,1 miliarda lat temu Księżyc doświadczył poważnej reorientacji osi obrotu, gdy jej nachylenie osiągnęło duży kąt, zanim osłabło do konfiguracji, którą widzimy dzisiaj. W miarę zmniejszania się nachylenia osiowego na biegunach pojawiały się PSR, które z czasem rosły.
Badacze wykorzystali AstroGeo22, nowe narzędzie do symulacji ewolucji Ziemi i Księżyca, aby obliczyć nachylenie osi Księżyca w czasie. Wraz z pomiarami wysokości powierzchni na podstawie danych z księżycowego lasera wysokościomierza orbitalnego (Lunar Orbital Altimeter Laser, LOLA) zespół oszacował ewolucję zacienionych obszarów w czasie.
Ewolucja w czasie odległości Księżyc-Ziemia pozostawała nierozwiązanym problemem przez pół wieku – powiedział Rufu, współautor nowego artykułu w Science Advances – Jednak te nowe geologiczne wskaźniki dotyczące historii układu Ziemia-Księżyc pozwalają nam obliczyć nachylenie osiowe Księżyca i zasięg PSR w czasie.
Na ilustracji: Na biegunie północnym i południowym Księżyca Słońce nigdy nie znajduje się wyżej niż 1,5° nad lub pod horyzontem. Tak blisko bieguna Słońce nie wschodzi i nie zachodzi. Zamiast tego, gdy Księżyc obraca się wokół własnej osi, Słońce muska horyzont, okrążając teren o pełne 360 stopni. Góry oddalone o 120 kilometrów rzucają cienie na krajobraz. Słońce ustawione pod tak niskim kątem nigdy nie dotrze do dna niektórych głębokich kraterów. Miejsca, do których Słońce nigdy nie dociera, nazywane są obszarami trwale zacienionymi. Znajdują się w nich jedne z najzimniejszych miejsc w Układzie Słonecznym i z tego powodu zatrzymują lotne substancje chemiczne, w tym lód wodny, które natychmiast sublimują (przekształcają się bezpośrednio ze stanu stałego w gaz) w ostrym, pozbawionym powietrza słońcu, które spada w większości innych miejsc na Księżycu. Źródło: NASA’s Scientific Visualization Studio
W 2009 roku NASA rozbiła dwutonowy korpus rakiety Atlas-Centaur, część satelity do obserwacji i wykrywania kraterów Księżyca (Lunar Crater Observation and Sensing Satellite, LCROSS), w pobliżu południowego bieguna Księżyca. Uderzył on w dno krateru Cabeus, tworząc pióropusz gruzu zbadanego pod kątem obecności wody i innych substancji chemicznych w księżycowym regolicie. Satelita podróżujący cztery minuty za Centaurem oraz kilka satelitów krążących wokół Ziemi, w tym Kosmiczny Teleskop Hubble'a, monitorowało uderzenie.
Cytowana praca sugeruje, że krater Cabeus stał się PSR niecały miliard lat temu. Różne substancje lotne wykryte w pióropuszu utworzonym przez LCROSS wskazują, że uwięzienie lodu trwało stosunkowo niedawno. Uderzenia i odgazowanie są potencjalnymi źródłami wody, ale osiągnęły one szczyt na początku historii Księżyca, kiedy obecne PSR jeszcze nie istniały. Wiek PSR w dużej mierze determinuje ilość lodu wodnego, który może zostać uwięziony w księżycowych obszarach polarnych. Informacje o obfitości lodu wodnego w PSR są szczególnie ważne przy planowaniu nadchodzących misji załogowych i bez załogi na Księżyc w poszukiwaniu wody.
Ten kluczowy zasób można wykorzystać do wytworzenia paliwa lotniczego i rakietowego oraz do utrzymania siedlisk ludzkich. NASA i inne podmioty planują wysłać łaziki i ludzi, aby scharakteryzowali lód wodny w PSR.
Więcej informacji: publikacja Past extent of lunar permanently shadowed areas, Norbert Schörghofer i Raluca Rufu, Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adh4302
Opracowanie: Joanna Molenda-Żakowicz
Na zdjęciu: Rejony południowego bieguna Księżyca, w których mogą znajdować się złoża lodu wodnego. Źródło: NASA’s Scientific Visualization Studio
