1 г місячної породи розкрив таємницю: як ковід допоміг з’ясувати причину появи атмосфери на Місяці

Можливо, Місяць зберігав би свою таємницю ще трохи довше, якби не ковід, розповідає Die Zeit.

Планетолог Тімо Хопп, у будь-якому випадку, провів би своє дослідницьке перебування в Чиказькому університеті, вивчаючи інші питання, окрім походження місячної атмосфери.

«Я щойно приїхав до Чикаго наприкінці 2019 року. Тоді стався коронавірус, і нам не дозволяли проводити жодних лабораторних робіт протягом шести місяців», — пояснює він.

Для науковця це означало, що потрібно було знайти новий проект.

«Разом із моїм тодішнім керівником Ніколя Дофасом ми нарешті написали пропозицію, щоб з'ясувати джерела атмосфери Місяця», — розповідає Хопп.

Астронавти «Аполлона» потерпали від місячного пилу, який прилипав до всього їхнього обладнання

Твердження, що Місяць має атмосферу, вимагає певної інтерпретаційної щедрості. Помиляється кожен, хто орієнтується на досвід нашого земного світу — кожен, хто думає про погоду, вітер і хмари чи навіть про парниковий ефект, який зігріває нашу планету. Замість атмосфери дослідники зазвичай називають Місяць екзосферою. З земного погляду, це більше схоже на вакуум: 1 см³ місячного повітря міститься менше мільйона атомів. На Землі їх у десять трильйонів разів більше. Іншими словами, якщо заповнити 800 морських контейнерів повітрям гамбурзького порту, то це повітря матиме таку ж масу, як і вся місячна атмосфера.

Уявіть собі атмосферу нашого супутника як хмару з кількох атомів і молекул. Ці частинки деякий час підстрибують на поверхні супутника, перш ніж остаточно там застрягнути чи вилетіти в космос; жодна частинка не залишається постійною частиною екзосфери.

Саме це і є причиною дослідницького питання Тімо Хоппа: як атмосфера постійно постачається новими частинками?

«Місії на Місяць показали, що тут можуть відігравати роль різні процеси. Але досі не було зрозуміло, який процес є вирішальним», — каже науковець.

Існує три можливих варіанти вирішення місячної загадки. Перше: електрично заряджені частинки сонячного вітру вдаряються об пухку місячну породу (реголіт) на поверхні супутника Землі й вибивають з неї частинки. По-друге, удари крихітних мікрометеоритів із космосу, розміром не більше 1 мм, пробивають реголіт і випаровують його частини. По-третє, сонячне ультрафіолетове випромінювання вивільняє атоми з місячної породи.

Відповідь може мати практичне значення для космічних подорожей. Реголіт буде важливим матеріалом і сировиною для майбутніх польотів на Місяць, будівництва й експлуатації можливої місячної бази. Тому важливо зрозуміти, які процеси змінюють цей реголіт — і, зокрема, які можуть заряджати його електрично, оскільки це робить пил липким. Колись астронавтам «Аполлона» довелося боротися з дрібним місячним пилом, який прилипав до всього їхнього обладнання під час місій на поверхні Місяця.

Заряджені частинки сонячного вітру та мікрометеоритів вибивають атоми з гірської породи на поверхні Місяця.

Деякі з викинутих атомів мають достатньо енергії, щоб утекти від гравітації Місяця в космос, щоб втекти від гравітації Місяця в космос, інші падають назад на поверхню.

У 2013-2014 роках місія НАСА Ladee вже намагалася з'ясувати, який із трьох процесів передусім створює екзосферу: вона облетіла Місяць з інтервалом у 5 км та визначила щільність і склад атмосфери. Згідно з одним із результатів, коли на Місяць впала незвично велика кількість мікрометеоритів, атмосфера виявилася особливо щільною. Однак це стосувалося і тих ділянок, які були безпосередньо освітлені сонцем або піддавалися впливу сонячного вітру. Іншими словами, всі три процеси сприяють створенню атмосфери Місяця. Однак питання про те, який із них є найважливішим, залишалося без відповіді.

Дослідники були здивовані тим, наскільки чіткою була відповідь

Хопп і його колеги застосували інший підхід: вони проаналізували місячні породи, які були доставлені на Землю під час місій «Аполлон» між 1969 і 1972 роками. Отримати місячний реголіт для лабораторних аналізів було не так вже й складно. Потрібно було лише показати НАСА, що ви можете аналізувати результати вимірювань, каже Хопп.

Окрім того, реголіт менш затребуваний, ніж лавова порода з Місяця, з якої можна багато чого дізнатися про те, як формувалося небесне тіло. Астронавти «Аполлона» привезли з собою загалом 382 кг місячної породи, з яких близько 1 г дослідники зрештою отримали з п'яти різних місць посадки «Аполлона» для своїх досліджень.

Чому реголіт містив відповідь на питання Хоппа? Певні елементи особливо поширені в екзосфері, оскільки їх легко видобути з місячної породи. До них належать два лужні метали рубідій і калій. Існують різні їхні важкі варіанти, так звані ізотопи.

Чи будуть легкі або важкі ізотопи розчинятися з породи і в якій кількості, залежить від того, чи потрапляє на поверхню мікрометеорит, частинка сонячного вітру або сонячне випромінювання.

Науковці скористалися цим, проаналізувавши зразки з місій «Аполлон», аби з'ясувати, які елементи залишилися в породі й у якій кількості, а отже, не були розчинені. Такі ізотопні аналізи є спеціалізацією лабораторії в Чикаго.

Дослідники виявили більше, ніж очікували: саме удари мікрометеоритів забезпечили постійне надходження нових частинок в екзосферу Місяця впродовж останнього мільярда років.

«Ми дещо очікували, що мікрометеорити становитимуть більшість. Але ми були здивовані тим, наскільки добре і чітко спрацював наш метод», — говорить дослідник.

Неприємності в раю

Настільки добре, що Хопп, який уже два роки працює в Інституті Макса Планка з дослідження Сонячної системи в Геттінгені, думає про наступні небесні тіла — тепер, коли розгадана таємниця атмосфери Місяця. Японське космічне агентство Jaxa незабаром вирушить до супутників Марса, звідки зразки також будуть доставлені на Землю.

«Наш метод може бути використаний для того, щоб побачити, чи існує там екзосфера і чи відіграють роль ті ж процеси, що і в місячній екзосфері», — каже Хопп.

Місяць із малою масою і короткочасною екзосферою порівняно легко піддається аналізу. У випадку важких небесних тіл, особливо планет, набагато складніше зрозуміти, які процеси сформували їхні атмосфери. Це пов'язано з тим, що щойно небесне тіло має достатню масу з відповідним притяганням і, можливо, також екрануючим магнітним полем, воно назавжди прив'язує газову оболонку до себе. Значно більшу роль у формуванні атмосфери відіграють події з минулого: випаровування з магматичних океанів молодих планет, наприклад, вулканізм, тектоніка плит або хімічні процеси в обміні з гірськими породами й океанами — або, як у випадку з нашою рідною планетою, виробництво кисню живими організмами. 4,5 млрд років тому все це створило клімат, в якому ми можемо добре жити при середній глобальній температурі (все ще) 15 °C. На противагу цьому, розріджена місячна атмосфера дає нашому супутнику небагато теплових переваг: сонячне випромінювання майже безперешкодно досягає його поверхні. Коливання температури відповідно екстремальні: до 130 °C на сонці вдень і до мінус 170 уночі.

Більше новин читайте на GreenPost.