Naukowcy odkryli, że cienka atmosfera Księżyca, egzosfera, jest w dużej mierze formowana i utrzymywana przez proces parowania uderzeniowego, będący wynikiem ciągłego bombardowania meteorytami. Analiza próbek gleby księżycowej z misji Apollo wykazała, że proces ten dominował przez miliardy lat.
Chociaż na Księżycu nie ma powietrza nadającego się do oddychania, posiada on prawie niewidoczną atmosferę. Od lat 80. astronomowie obserwują bardzo cienką warstwę atomów odbijających się od powierzchni Księżyca. Ta delikatna atmosfera, określana jako „egzosfera”, jest prawdopodobnie produktem jakiegoś rodzaju kosmicznego wietrzenia. Jednak trudno było 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 niedawno opublikowanym badaniu w Science Advances zespół donosi, że atmosfera księżycowa jest przede wszystkim produktem „odparowania uderzeniowego”.
Rola uderzeń meteorytów
Naukowcy przeanalizowali próbki gleby księżycowej 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 ciągłe uderzenia wzburzają glebę księżycową i unoszą jej 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 ten proces odparowywania uderzeniowego jest głównym procesem, dzięki któremu Księżyc wytworzył i utrzymywał swoją niezwykle cienką atmosferę przez miliardy lat.
Możliwe źródła i pochłaniacze atmosferyczne Księżyca. Źródła obejmują (A) parowanie uderzeń meteorytów (IV), (B) rozpylanie jonów wiatru słonecznego (IS) i (C) desorpcję stymulowaną fotonami (PSD). Parowanie uderzeniowe i rozpylanie jonów wiatru słonecznego uwalniają atomy ze skał, podczas gdy PSD uwalnia tylko słabo związane zaadsorbowane atomy. Gdy atomy zostaną uwolnione przez IS lub IV, część z nich zostaje utracona w przestrzeni poprzez (D) ucieczkę grawitacyjną. PSD nie powoduje żadnej ucieczki grawitacyjnej ze względu na swoją niską energię. Atomy, które nie uciekają bezpośrednio, mogą przeskakiwać wielokrotnie na powierzchni Księżyca, aż w końcu zostaną utracone w przestrzeni lub ponownie wszczepione na powierzchnię Księżyca poprzez (E) fotojonizację lub zostaną (F) trwale uwięzione na powierzchni Księżyca. Źródło: Nicole X. Nie i in., (2024), Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.adm7074
Badanie pochodzenia atmosfery księżycowej
W 2013 r. NASA wysłała orbiter wokół Księżyca, aby przeprowadzić szczegółowe rozpoznanie atmosferyczne. Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer zdalnie zbierał informacje o cienkiej atmosferze Księżyca, warunkach powierzchni i wszelkich wpływach środowiskowych na pył księżycowy. Naukowcy mieli nadzieję, że zdalne pomiary składu gleby i atmosfery mogą korelować z pewnymi procesami wietrzenia kosmicznego, które mogłyby następnie wyjaśnić, w jaki sposób powstała atmosfera Księżyca.
Naukowcy podejrzewają, że dwa procesy wietrzenia kosmicznego odgrywają rolę w kształtowaniu atmosfery księżyca: parowanie uderzeniowe i „rozpylanie jonów” — zjawisko obejmujące wiatr słoneczny, który przenosi energetyczne naładowane cząstki ze słońca przez przestrzeń kosmiczną. Kiedy te cząstki uderzają w powierzchnię Księżyca, mogą przekazać swoją energię atomom w glebie i spowodować rozpylenie tych atomów i ich uniesienie w atmosferze.
„Na podstawie danych LADEE wydawało się, że oba procesy odgrywają rolę” — mówi główna autorka badania, Nicole Nie, adiunkt w Katedrze Nauk o Ziemi, Atmosferze i Planetach MIT. „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.”
Wizja artystyczna sondy kosmicznej LADEE na orbicie Księżyca. Źródło: NASA.
Analiza próbek księżycowych
Aby dokładniej określić pochodzenie atmosfery księżycowej, Nicole Nie z grupą naukowców z University of Chicago i Massachusetts Institute of Technology (MIT), przyjrzeli się próbkom gleby księżycowej zebranym przez astronautów podczas misji Apollo NASA. Naukowcy pozyskali 10 próbek gleby księżycowej, każda o wadze około 100 miligramów — niewielka ilość, która według jej szacunków zmieściłaby się w jednej kropli deszczu.
Nicole Nie próbowała najpierw wyizolować z każdej próbki dwa pierwiastki: potas i rubid. 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, składającą 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 będą miały większe prawdopodobieństwo ponownego osadzenia się w glebie. Ponadto naukowcy przewidują, że odparowanie uderzeniowe i rozpylanie jonów powinny skutkować bardzo różnymi proporcjami izotopów w glebie. Konkretny stosunek lekkich do ciężkich izotopów, które pozostają w glebie, zarówno potasu, jak i rubidu, powinien następnie ujawnić główny proces przyczyniający się do powstania atmosfery księżycowej.
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 odparowania 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 powiedzieć, że względny udział odparowania 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. Bez tych próbek Apollo nie bylibyśmy w stanie uzyskać dokładnych 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”.
Więcej informacji: publikacja „Lunar soil record of atmosphere loss over eons” autorstwa Nicole X. Nie i in., (2024), Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.adm7074
Opracowanie: Joanna Molenda-Żakowicz
Na ilustracji: Wizualizacja artystyczna astronauty pracującego na powierzchni Księżyca podczas przyszłej misji. Źródło: NASA
