Od lat 80. astronomowie obserwują bardzo cienką warstwę atomów w pobliżu powierzchni Księżyca. Ta delikatna atmosfera jest prawdopodobnie produktem jakiegoś rodzaju kosmicznego wietrzenia. Jednak naukowcy nie zdołali ustalić, jaki mechanizm odpowiada za jej powstanie. Aż do teraz. W nowych badaniach zidentyfikowali proces, który uformował atmosferę Księżyca i nadal ją podtrzymuje.
Przyjmuje się, że Księżyc nie ma atmosfery, choć w rzeczywistości posiada niezwykle słabą otoczkę gazową, ale jest ona tak rzadka, że właściwie można by uznać, że jej nie ma. Jednak astronomowie obserwują podwyższoną obecność atomów w jego sąsiedztwie, w porównaniu do przestrzeni kosmicznej. Atmosfera ta jest znikoma w porównaniu do chociażby Ziemi. Szacuje się, że całkowita jej masa nie przekracza 10 ton. Składa się głównie z helu, wodoru, neonu i argonu ze śladowymi ilościami metanu, amoniaku i dwutlenku węgla i wymaga ciągłego uzupełniania ze względu na dużą szybkość utraty gazów w przestrzeń kosmiczną.
W badaniach opublikowanych na łamach pisma „Science Advances” (DOI: 10.1126/sciadv.adm7074) zespół naukowców z Massachusetts Institute of Technology (MIT) oraz z University of Chicago ustalił, że to uderzenia meteorytów odpowiadają za większość atmosfery na Srebrnym Globie.
Zespół badaczy do takich wniosków doszedł analizując próbki regolitu, czyli księżycowej gleby, przywiezione na Ziemię podczas misji Apollo. Według ustaleń, Księżyc w ciągu swojej trwającej 4,5 miliarda lat historii, początkowo był bombardowany dużymi meteorytami, a w późniejszym czasie małymi drobinkami gruzu pędzącymi przez Układ Słoneczny.
Uderzenia malutkich meteorytów w regolit powodują odparowanie części atomów z gruntu. Sprawiają też, że regolit wznosi się ponad powierzchnię Srebrnego Globu. Niektóre atomy są wyrzucane w przestrzeń kosmiczną, inne pozostają zawieszone nad księżycem, tworząc jego niezwykle rzadką atmosferę. Jest ona stale uzupełniana, bo meteoryty nieustannie uderzają w powierzchnię Księżyca. W Ziemię także uderzają, ale do powierzchni docierają wyłącznie te największe. Małe drobinki zwyczajnie płoną w gęstej, ziemskiej atmosferze.
Naukowcy odkryli, że odparowanie materii z regolitu w wyniku uderzeń meteorytów jest głównym procesem, dzięki któremu księżyc wytworzył i wciąż utrzymuje swoją niezwykle cienką atmosferę. - Dajemy definitywną odpowiedź, że odparowanie części atomów z regolitu w wyniku uderzeń meteorytów jest dominującym procesem, który tworzy atmosferę Księżyca - mówi główna autorka badania, Nicole Nie z MIT. - Księżyc ma prawie 4,5 miliarda lat i przez ten czas jego powierzchnia była nieustannie bombardowana meteorytami. Wykazaliśmy, że cienka atmosfera jest stale obecna, ponieważ jest nieustannie uzupełniana przez małe uderzenia na całym Księżycu - dodaje.
W 2013 roku NASA wysłała orbiter wokół Księżyca, aby przeprowadzić szczegółowe rozpoznanie atmosferyczne. Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer (LADEE) miał na celu zebranie informacji o cienkiej atmosferze Srebrnego Globu, warunkach powierzchni i wszelkich wpływach środowiskowych na pył księżycowy.
Misja została zaprojektowana w celu ustalenia pochodzenia atmosfery księżyca. Naukowcy mieli nadzieję, że zdalne pomiary składu regolitu i atmosfery mogą korelować z pewnymi procesami wietrzenia kosmicznego, które mogłyby wyjaśnić, w jaki sposób powstała atmosfera naszego naturalnego satelity.
Naukowcy podejrzewają, że dwa procesy wietrzenia kosmicznego odgrywają rolę w kształtowaniu jego rzadkiej atmosfery. To wspomniane już odparowanie materii z regolitu w wyniku uderzeń mikrometeorytów oraz zjawisko obejmujące wiatr słoneczny, nazwane przez badaczy „rozpylaniem jonów”. Wiatr słoneczny niesie ze sobą energetyczne cząstki ze Słońca. Gdy te cząstki uderzają w powierzchnię Księżyca, powodują odrywanie się atomów z regolitu i ich przejście w stan gazowy.
- Analizy pokazały, że podczas deszczu meteorytów widać więcej atomów w atmosferze Księżyca, co oznacza, że te uderzenia mają wpływ. Ale pokazały również, że gdy Księżyc jest osłonięty od Słońca, również zachodzą zmiany w jego atmosferze, co oznacza, że Słońce również ma wpływ - mówi Nie.
Aby dokładniej określić pochodzenie atmosfery księżycowej, Nie przyjrzała się próbkom regolitu zebranym podczas misji Apollo. Wraz ze współpracownikami pozyskali 10 próbek gleby księżycowej, każda ważąca około 100 miligramów. Najpierw badacze wyizolowali dwa pierwiastki z każdej próbki: potas i rubid. Oba są lotne, co oznacza, że łatwo odparowują w wyniku uderzeń i rozpylania jonowego.
Każdy pierwiastek występuje w postaci kilku izotopów. Izotop to odmiana tego samego pierwiastka, która składa się z tej samej liczby protonów, ale innej liczby neutronów. Zespół doszedł do wniosku, że jeśli atmosfera Księżyca składa się z atomów, które odparowały i uniosły się nad powierzchnię, lżejsze izotopy tych atomów powinny być łatwiej unoszone, a cięższe prawdopodobnie osiadałyby z powrotem w regolicie.
Naukowcy uznali, że parowanie materii w wyniku uderzeń i rozpylanie jonów powinno skutkować różnymi proporcjami izotopów w księżycowym gruncie. Specyficzny stosunek lekkich izotopów do ciężkich, które pozostają w regolicie, zarówno w przypadku potasu, jak i rubidu, powinien ujawnić główny proces przyczyniający się do powstania atmosfery na Srebrnym Globie.
Analizując próbki przywiezione na Ziemię z misji Apollo, odkryli, że regolit zawierał głównie cięższe izotopy potasu i rubidu. Naukowcy byli w stanie określić stosunek ciężkich izotopów do lekkich obu pierwiastków. Ustalili, że odparowanie materii z regolitu w wyniku uderzeń mikrometeorytów jest najprawdopodobniej dominującym procesem powstawania i utrzymywania się rzadkiej atmosfery na Księżycu.
- W przypadku odparowania uderzeniowego większość atomów pozostałaby w atmosferze Księżyca, podczas gdy w przypadku rozpylania jonowego wiele atomów zostałoby wyrzuconych w przestrzeń kosmiczną. Dzięki naszym badaniom możemy teraz określić ilościowo rolę obu procesów, aby stwierdzić, że względny udział odparowania w porównaniu do rozpylania jonowego wynosi około 70 do 30 - mówi Nie. Innymi słowy, 70 proc. atmosfery księżyca jest produktem uderzeń meteorytów, a pozostałe 30 proc. jest konsekwencją oddziaływania wiatru słonecznego.
Źródło: Massachusetts Institute of Technology, fot. Unsplash/CC0 Public Domain
