Привезенный «Аполлонами» грунт раскрыл секрет лунной атмосферы

Ученые окончательно показали, как образуется тонкая лунная атмосфера, состоящая из отдельных атомов, выбиваемых с поверхности. Ответить на этот вопрос помог лунный грунт, доставленный американскими миссиями «Аполлон», говорится в исследовании, опубликованном в журнале Science Advances.

Принято считать, что главная причина, осложняющая освоение Луны — отсутствие на ней атмосферы земного типа. Однако начиная с 1980-х годов астрономы научились наблюдать вокруг Луны весьма разреженный слой атомов, отскакивающих от поверхности спутника. Эта тонкая атмосфера, получившая название экзосфера, как считают ученые, является продуктом космического «выветривания» — процесса, происходящего с телами в агрессивной среде открытого космоса.

Однако до последнего времени оставалось не ясным, что именно в лунных условиях представляет из себя этот процесс.

В своем исследовании ученые Массачусетского технологического института и Университета Чикаго проанализировали образцы лунного грунта, привезенные более полувека назад американскими миссиями «Аполлон». Анализ показал, что поверхность Луны на протяжении всех 4,5 млрд лет ее существования непрерывно бомбардировалась — сначала массивными метеоритами, и, в более поздние времена— «микрометеороидами» размерами с пылинку.

Эти постоянные удары поднимают частицы лунного грунта и выбивают отдельные атомы. Некоторые атомы улетают в космическое пространство, другие остаются в подвешенном состоянии над поверхностью Луны, формируя тончайшую атмосферу, которая постоянно обновляется за счет новых ударов метеоритов. Ученые показали, что это «ударное испарение» — основной процесс, позволяющий Луне сохранять миллиарды лет свою тонкую атмосферу.

«Мы дали окончательный ответ, что ударное метеоритное испарение — доминирующий процесс, который создает лунную атмосферу, — пояснила автор исследования Николь Ни. — Возраст Луны близок к 4,5 млрд лет, и на протяжении этого времени поверхность постоянно бомбардировалась метеоритами. Мы показали, что в конце концов тонкая атмосфера достигла устойчивого состояния, поскольку непрерывно обновлялась за счет слабых ударов по Луне».

В 2013 году NASA отправило к Луне орбитер Atmosphere and Dust Environment Explorer (LADEE), который дистанционно собирал информацию о тонкой атмосфере Луны, условиях на поверхности и всевозможных воздействиях, оказываемых космическим окружением на поверхность. Ученые предполагали, что за наполнение лунной атмосферы ответственны два процесса — ударное испарение и «распыление» ионов, при котором заряженные частицы солнечного ветра ударяют по поверхности, передают свою энергию атомам, за счет чего некоторые из них поднимаются над поверхностью. «Данные LADEE показали, что играют роль оба процесса. К примеру, во время метеорных потоков вы видите увеличение атомов в атмосфере, что означает, что удары дают эффект. Но также было показано и что, когда Луна закрыта от Солнца, например при затмении, также наблюдается изменение в концентрации атомов — это значит, что Солнце также имеет влияние», — пояснила Ни.

Чтобы уточнить роль обоих механизмов, ученые исследовали два элемента в составе лунного грунта — калий и рубидий, представленные в виде трех и двух изотопов соответственно. Ученые предположили, что при ударном испарении более легкие изотопы будут легче выбиваться с поверхности, а более тяжелые — чаще возвращаться в грунт. При этом распыление ионов должно приводить к другому распределению изотопов в составе грунта. Ученые измельчили порядка 100 мг лунного грунта в мелкий порошок и проверили изотопный состав грунта с помощью масс-спектрометра.

Анализ показал, что грунт большей частью состоит из тяжелых изотопов кальция и рубидия, что означает преобладание процесса ударного испарения над вторым. «При ударном испарении большинство атомов должны оставаться в лунной атмосфере, в то время как при ионном распылении множество атомов выбрасываются в космос, — пояснила Ни. — Наше исследование помогло определить роль обоих процессов — относительный вклад ударного испарения и ионного распыления составляет 70:30 или больше». Иными словами 70% и более лунной атмосферы представляет собой продукт метеоритных ударов, оставшиеся 30% — последствия воздействие солнечного ветра.