Хоча на Місяці немає повітря, придатного для дихання, на ньому майже немає атмосфери. З 1980-х років астрономи спостерігали дуже тонкий шар атомів, що підстрибували над поверхнею Місяця. Ця тонка атмосфера — технічно відома як «екзосфера» — ймовірно, є продуктом якогось космічного вивітрювання. Але якими саме можуть бути ці процеси, було важко точно визначити.

Тепер вчені з Массачусетського технологічного інституту та Чиказького університету кажуть, що вони визначили основний процес, який утворив місячну атмосферу і продовжує підтримувати її сьогодні. У дослідженні, опублікованому в Science Advances, команда повідомляє, що місячна атмосфера в основному є продуктом «ударного випаровування».

У своєму дослідженні дослідники проаналізували зразки місячного ґрунту, зібрані астронавтами під час місій NASA Apollo. Їхній аналіз свідчить про те, що протягом 4,5 мільярдів років історії Місяця його поверхню безперервно бомбардували, спочатку масивними метеоритами, а останнім часом меншими «мікрометеороїдами» розміром з пил.

Ці постійні удари підняли місячний ґрунт, випаровуючи певні атоми при контакті та піднімаючи частинки в повітря. Деякі атоми викидаються в космос, а інші залишаються підвішеними над Місяцем, утворюючи розріджену атмосферу, яка постійно поповнюється, коли метеорити продовжують обрушуватися на поверхню.

Дослідники виявили, що ударне випаровування є основним процесом, за допомогою якого Місяць створював і підтримував свою надзвичайно тонку атмосферу протягом мільярдів років.

«Ми даємо остаточну відповідь, що випаровування від удару метеорита є домінуючим процесом, який створює атмосферу Місяця», — каже провідний автор дослідження Ніколь Ні, доцент кафедри наук про Землю, атмосферу та планети Массачусетського технологічного інституту.

«Місяцю близько 4,5 мільярдів років, і протягом цього часу поверхню постійно бомбардували метеорити. Ми показуємо, що зрештою розріджена атмосфера досягає сталого стану, тому що вона постійно поповнюється невеликими ударами по всьому Місяцю».

Співавторами Ні є Ніколас Дофас, Чже Чжан і Тімо Хопп з Чиказького університету, а також Менелаос Сарантос з Центру космічних польотів імені Годдарда NASA.

Ролі вивітрювання

У 2013 році NASA відправило орбітальний апарат навколо Місяця, щоб провести детальну розвідку атмосфери. Досліднику місячної атмосфери та пилового середовища (LADEE, вимовляється як «хлопчик») було доручено дистанційно збирати інформацію про тонку атмосферу Місяця, умови поверхні та будь-який вплив навколишнього середовища на місячний пил.

Місія LADEE була розроблена для визначення походження атмосфери Місяця. Вчені сподівалися, що дистанційні вимірювання складу ґрунту та атмосфери зондом можуть співвідноситися з певними процесами космічного вивітрювання, які потім зможуть пояснити, як виникла атмосфера Місяця.

Дослідники підозрюють, що два процеси космічного вивітрювання відіграють роль у формуванні місячної атмосфери: ударне випаровування та «розпорошення іонів» — явище, пов’язане з сонячним вітром, який переносить енергійні заряджені частинки від Сонця через космос. Коли ці частинки стикаються з поверхнею Місяця, вони можуть передати свою енергію атомам у ґрунті та відправити ці атоми розпорошуватися та летіти в повітря.

«Грунтуючись на даних LADEE, здавалося, що обидва процеси відіграють свою роль», — каже Ні.

«Наприклад, було показано, що під час метеоритних дощів ви бачите більше атомів в атмосфері, а це означає, що удари мають вплив. Але також було показано, що коли Місяць захищений від Сонця, наприклад під час затемнення, також відбуваються зміни в атоми атмосфери, тобто сонце також впливає.

Відповіді в ґрунті

Щоб точніше визначити походження місячної атмосфери, Ні подивився на зразки місячного ґрунту, зібрані астронавтами під час місій НАСА «Аполлон». Вона та її колеги з Чиказького університету взяли 10 зразків місячного ґрунту, кожен із яких мав близько 100 міліграмів — це невелика кількість, яка, за її оцінками, поміститься в одній краплі дощу.

Ні прагнув спочатку виділити два елементи з кожного зразка: калій і рубідій. Обидва елементи є «леткими», що означає, що вони легко випаровуються під час ударів та розпилення іонів.

Кожен елемент існує у вигляді кількох ізотопів. Ізотоп — це різновид того самого елемента, який складається з такої ж кількості протонів, але дещо іншої кількості нейтронів. Наприклад, калій може існувати як один із трьох ізотопів, кожен із яких має ще один нейтрон і є трохи важчим за попередній. Подібним чином існує два ізотопи рубідію.

Команда вважала, що якщо атмосфера Місяця складається з атомів, які випаровуються та зважені в повітрі, то більш легкі ізотопи цих атомів мають бути легше підняті, тоді як більш важкі ізотопи, швидше за все, осідають назад у ґрунті.

Крім того, вчені передбачають, що ударне випаровування та іонне розпилення мають призвести до дуже різних ізотопних пропорцій у ґрунті. Конкретне співвідношення легких і важких ізотопів, які залишаються в ґрунті, як для калію, так і для рубідію, має виявити основний процес, що сприяє виникненню місячної атмосфери.

Маючи все це на увазі, Ні проаналізував зразки Apollo, спочатку подрібнивши ґрунти в дрібний порошок, а потім розчинивши порошки в кислотах, щоб очистити та виділити розчини, що містять калій і рубідій. Потім вона пропустила ці розчини через мас-спектрометр для вимірювання різних ізотопів калію та рубідію в кожному зразку.

Команда виявила, що ґрунти містять переважно важкі ізотопи калію та рубідію. Дослідники змогли кількісно визначити співвідношення важких і легких ізотопів як калію, так і рубідію, і, порівнявши обидва елементи, вони виявили, що ударне випаровування, швидше за все, було домінуючим процесом, за допомогою якого атоми випаровуються та піднімаються, щоб утворити атмосферу Місяця.

«При ударному випаровуванні більшість атомів залишиться в місячній атмосфері, тоді як при іонному розпиленні багато атомів буде викинуто в космос», — говорить Ні.

«З нашого дослідження тепер ми можемо кількісно оцінити роль обох процесів, сказати, що відносний внесок ударного випаровування порівняно з іонним розпиленням становить приблизно 70:30 або більше». Іншими словами, 70% або більше атмосфери Місяця є продуктом зіткнення метеоритів, тоді як решта 30% є наслідком сонячного вітру.

«Відкриття такого тонкого ефекту є чудовим завдяки інноваційній ідеї поєднання вимірювань ізотопів калію та рубідію разом із ретельним кількісним моделюванням», — каже Джастін Ху, постдоктор, який вивчає місячні ґрунти в Кембриджському університеті, який не брав участі в дослідженні. навчання.

«Це відкриття виходить за рамки розуміння історії Місяця, оскільки такі процеси можуть відбуватися і можуть бути більш значущими на інших супутниках і астероїдах, які є центром багатьох запланованих місій повернення».

«Без цих зразків Apollo ми не змогли б отримати точні дані та провести кількісні вимірювання, щоб зрозуміти речі більш детально», — говорить Ні. «Для нас важливо повернути зразки з Місяця та інших планет, щоб ми могли намалювати більш чіткі картини формування та еволюції Сонячної системи».