Лунный камень, доставленный на Землю во время миссий «Аполлон», помог переписать представления о химии естественного спутника: в нем впервые обнаружили «необычный» титан в редком состоянии. Этот сигнал буквально позволяет измерить, насколько обедненной кислородом была древняя Луна и как именно формировались ее недра.
Лунные базальты — застывшие лавы древних извержений — хранят историю внутреннего строения естественного спутника Земли. Особенно ценны так называемые высокотитановые базальты, где значительная часть титана заключена в ильмените (FeTiO₃). Именно по его составу ученые восстанавливают температуру и окислительно-восстановительные условия (FO₂), при которых кристаллизовалась лава. Считается, что Луна сформировалась в более восстановительной среде, чем Земля, однако прямых доказательств некоторых химических особенностей, к примеру существования трехвалентного титана (Ti³⁺), до сих пор не хватало.
Теперь, проанализировав крошечный фрагмент породы возрастом около 3,8 миллиарда лет (образец 75035, доставленный «Аполлоном-17») с помощью методов электронной микроскопии и спектроскопии, исследователи «увидели» атомную структуру и определили валентность атомов некоторых элементов. Оказалось, ильменит в породе содержит избыток титана, причем примерно 13 процентов находится именно в форме Ti³⁺, а не привычного Ti⁴⁺.
Именно эта тонкая химическая деталь дает прямое подтверждение: чтобы сохранить электрический баланс в кристалле, часть атомов железа и титана «перестраивается», из-за чего структура минерала отклоняется от классической формулы. По сути, лунная магма, из которой образовался минерал, была куда более «восстановительной», чем предполагали модели.
Выяснить это удалось, связав количество Ti³⁺ с так называемой кислородной фугитивностью — параметром, описывающим доступность кислорода в магме. Сопоставив экспериментальные данные с измерениями, авторы научной работы, опубликованной в журнале Nature Communications, заключили, что порода кристаллизовалась в условиях существенно ниже буфера вюстита (IW) — стандартной шкалы окислительно-восстановительных условий. Это согласуется с другими независимыми оценками для Луны, но дает более точный инструмент измерения.
Результаты также показали, что такой тип титана может встречаться не в одном образце. Анализ базы данных лунных минералов намекает, что Ti³⁺ потенциально присутствует во многих породах, просто раньше измерить его не удавалось. Таким образом, Ti³⁺ имеет магматическое происхождение и не связан с космическим выветриванием. Более того, ильменит может стать своего рода «геохимическим термометром и барометром» — индикатором условий формирования не только на Луне, но и на других небесных телах с низким содержанием кислорода.
По итогу небольшая деталь на уровне атомов превращается в инструмент планетологии: по содержанию Ti³⁺ ученые смогут восстанавливать условия в недрах небесных тел миллиарды лет назад. Значит, старые образцы лунных миссий еще долго будут приносить новые открытия — просто потому, что теперь мы умеем задавать точные вопросы.