Przez większość ery kosmicznej Księżyc był uważany za świat pozbawiony wody. W ostatnich latach, jednakże, stała kroplówka odkryć pokazała, że przynajmniej niektóre części Księżyca – takie jak duże, stale zacienione kratery na jego biegunach – zawierają znaczące pokłady wody. W tym tygodniu dwa nowe badania opublikowane w Nature Astronomy nakręcają kurek nieco bardziej do perspektywy niespodziewanie wodnistego Księżyca.
Czas jest dobry dla NASA i innych agencji kosmicznych planujących ambitne ludzkie misje eksploracji Księżyca, a nawet jego zasiedlenia. W końcu, gdzie jest woda, tam może być życie – nawet jeśli to życie wciąż wymaga skafandrów kosmicznych i siedlisk odpornych na promieniowanie.
Możliwy podniebny sygnał rozgrzanej słońcem wody
Pierwszy nowy powiew księżycowej wody pojawił się z danych zebranych przez należące do NASA Stratosferyczne Obserwatorium Astronomii Podczerwonej (SOFIA). Ten zmodyfikowany odrzutowiec Boeing 747SP zapewnia swojemu 2,7-metrowemu teleskopowi widok powyżej 99 procent zasłaniającej atmosferę pary wodnej – unikalna zdolność, która pozwala na zwinne obserwacje w podczerwieni bez użycia obiektów kosmicznych.
Pod koniec sierpnia 2018 r. zespół kierowany przez Caseya Honniballa, stypendystę programu podoktorskiego NASA w Goddard Space Flight Center agencji i badacza z University of Hawaii at Manoa, wykorzystał instrumenty podczerwone na pokładzie SOFIA do badania oświetlonej słońcem powierzchni Księżyca. Obserwacje, które trwały zaledwie 10 minut, skupiły się na regionie na wysokich południowych szerokościach geograficznych w pobliżu dużego krateru Clavius i ujawniły silną emisję podczerwieni o długości fali 6 mikronów (µm) z krateru i otaczającego go krajobrazu. Ogrzane przez Słońce, coś na powierzchni Księżyca reemitowało zaabsorbowane promieniowanie, tak jak woda molekularna – zwykłe H2O.
„Nie znamy żadnego innego materiału rozsądnego dla Księżyca, który wykazywałby pojedynczą cechę spektralną na 6 µm, inną niż H2O”, donoszą Honniball i jej koledzy badacze w swojej nowej pracy. Autorzy sugerują, że domniemana woda jest najprawdopodobniej przechowywana w naturalnie występującym szkle wulkanicznym lub umieszczona pomiędzy mikroskopijnymi ziarnami pyłu skalnego. Każdy z tych scenariuszy może zapewnić osłonę przed ekstremalnymi temperaturami i warunkami zbliżonymi do próżni panującymi na powierzchni Księżyca, pozwalając wodzie przetrwać. Co do tego, jak się tam znalazła, nikt nie jest pewien, ale wiodącym wyjaśnieniem jest to, że woda mogła się uformować z wolnego tlenu i wodoru uwolnionego ze skał księżycowych przez uderzenia mikrometeorytów.
Użycie SOFIA jest nowym i unikalnym podejściem do nauki o Księżycu, mówi Honniball, ale nie jest to pierwszy raz, kiedy obserwacje na Ziemi ujawniły sześciomikronową emisję z Księżyca. Obserwacje balonowe prowadzone przez astronomów G.R. Hunta i J.W. Salisbury’ego wykazały tę cechę widmową. Jednak Hunt i Salisbury nie wspomnieli o tym w swojej pracy na temat tych badań, opublikowanej w 1969 roku. Zamiast tego skupili się na scharakteryzowaniu minerałów na powierzchni Księżyca. „Może po prostu nie wiedzieli, że dokonali wielkiego odkrycia,” spekuluje Honniball.
Szklanka do połowy pełna
Honniball i jej koledzy otrzymali już dodatkowy czas na SOFIA na dalsze obserwacje. „Mamy nadzieję zmapować większą część Księżyca, aby scharakteryzować zachowanie wody,” mówi. „Czy zmienia się ona na powierzchni Księżyca w zależności od pory dnia i szerokości geograficznej? To pomoże nam zrozumieć, skąd pochodzi i gdzie się znajduje.”
A to z kolei może powiedzieć światu, jak użyteczna może okazać się ta nowo znaleziona woda. Ekstrakcja będzie prosta, jeśli woda występuje głównie na powierzchni ziaren skalnych: wystarczy zebrać księżycową glebę i poddać ją umiarkowanemu ogrzewaniu. Jeśli jednak woda jest zamknięta w szkle, materiał ten musi zostać stopiony, aby uwolnić wodę do zbierania – proces ten wymaga znacznie więcej energii.
„Obecnie nie mamy dobrego pomysłu na to, czy woda, którą widzimy za pomocą SOFIA jest w ilościach, które sprawią, że stopienie szkła będzie tego warte” – mówi Honniball. „Jednakże, jeśli stwierdzimy, że jej ilość jest wystarczająco duża, może to być bardziej realna opcja niż wydobywanie lodu wodnego w regionach stale zacienionych, które są ekstremalnymi środowiskami i trudnymi do pracy.”
Jack Schmitt, geolog, który jako członek załogi Apollo 17, pozostaje jedynym profesjonalnym naukowcem, który chodził po Księżycu, mówi, że pomiar SOFIA może nie ujawniać prawdziwej wody molekularnej, ale coś bardziej kruchego i przejściowego. „Pytanie, które chciałbym zadać,” mówi Schmitt, „to czy dane SOFIA mogą być związane z możliwym słabym wiązaniem wodoru z wiatru słonecznego z tlenem na powierzchni ziaren szkieł krzemianowych i minerałów w regolicie, a nie być rzeczywistą wodą cząsteczkową?”
Jednym z produktów takich reakcji może być hydroksyl, cząsteczka, której brakuje tylko jednego atomu wodoru do wody. Honniball twierdzi jednak, że sześciomikronowa emisja zaobserwowana przez SOFIA nie jest zgodna z hydroksylem.
Bez względu na to, jaka substancja kryje się za sygnałem SOFIA, Schmitt zauważa, że podstawowa chemia powinna pozwolić na wyciśnięcie wilgoci nawet z suchego jak kość materiału księżycowego. „Podgrzanie wodoronośnego regolitu do temperatury kilkuset stopni spowodowałoby, że część wodoru zareagowałaby z tlenem w krzemianach i w ten sposób powstałaby woda niemal w każdym miejscu na Księżycu” – mówi.
Małe cienie, ogromne możliwości
Inna praca opublikowana wraz z badaniem SOFIA w Nature Astronomy zwraca uwagę na wzrost dystrybucji stale zacienionych obszarów na Księżycu – miejsc pozbawionych światła słonecznego, znanych jako zimne pułapki – w których ekstremalnie niskie temperatury mogłyby zamrażać i sekwestrować wodę w zasadzie bez końca, pozwalając jej gromadzić się w znaczące złoża w czasie geologicznym.
Naukowcy badali takie regiony Księżyca od dziesięcioleci pod kątem ich potencjału gromadzenia wody, ale poprzednie prace koncentrowały się na dużych zimnych pułapkach wewnątrz ogromnych kraterów na biegunach Księżyca. W przeciwieństwie do tego, najnowszy wynik rozszerza zakres rozważanych rozmiarów zimnych pułapek do jednego centymetra średnicy. Analizując wysokiej rozdzielczości zdjęcia z należącego do NASA Lunar Reconnaissance Orbiter, zespół pod kierownictwem naukowca planetarnego z University of Colorado Boulder Paula Hayne’a odkrył, że takie „mikro” zimne pułapki są znacznie bardziej rozpowszechnione niż dobrze zbadane duże pułapki w pobliżu księżycowych biegunów. Nowe dane podnoszą całkowitą powierzchnię zdolną do uwięzienia wody do około 40 000 kilometrów kwadratowych – pan-księżycowego regionu, który łącznie byłby dwa razy większy od Walii.
„Nowo odkryte mikro-zimne pułapki są najliczniejsze na Księżycu, tysiące razy bardziej obfite niż poprzednio zmapowane zimne pułapki” – mówi Hayne. „Jeśli wszystkie są pełne lodu, może to być znaczna ilość, być może więcej niż miliard kilogramów wody.”
Hayne dodaje jednak, że pobieranie próbek in situ przez roboty lub astronautów jest wymagane, aby właściwie ocenić ich rzeczywistą zawartość lodu. „To, co jest naprawdę ekscytujące w mikro zimnych pułapkach, to fakt, że są one znacznie łatwiej dostępne, co może umożliwić bardziej efektywne wydobycie i wykorzystanie zarówno do celów naukowych, jak i eksploracyjnych” – mówi. Rzeczywiście, to mnożenie się maleńkich potencjalnych zbiorników lodu może być znacznie bardziej dostępne dla przyszłych misji, Hayne mówi, ponieważ istnieją one w obszarach, gdzie astronauta nasłoneczniony mógłby wygodnie i bezpiecznie użyć narzędzia, aby sięgnąć do niebezpiecznie zimnego cienia, aby wykopać lód.
Na razie, aby dalej oceniać wartość mikro zimnych pułapek, Hayne i jego koledzy użyją zaawansowanej technologicznie kamery o nazwie Lunar Compact Infrared Imaging System, która wyruszy na Księżyc w pierwszej misji południowego lądownika w ramach programu NASA Commercial Lunar Payload Services już w 2022 roku. Kamera po raz pierwszy wykona zdjęcia mikro zimnych pułapek z bliska i zmierzy ich temperaturę.
Ground Truthing
Z jednej strony SOFIA i badania mikro zimnych pułapek są mile widzianymi wiadomościami. Niemniej jednak, główny obraz pozostaje taki sam, mówi Ian Crawford, ekspert ds. Księżyca z Birkbeck, University of London.
Jasno mówi, im więcej łatwo dostępnej wody jest na Księżycu, tym większe możliwości jej wydobycia na miejscu i wykorzystania do podtrzymania natychmiastowych wysiłków eksploracyjnych. Ostatecznie rozwój wody księżycowej jako zasobu mógłby zapoczątkować całą pozaziemską gospodarkę, w której substancja ta stałaby się lukratywnym surowcem dla paliwa rakietowego i innych cennych materiałów eksploatacyjnych. Na razie jednak pilnie potrzebne są pomiary „prawdy o ziemi”, aby potwierdzić wnioski wyciągnięte na podstawie pomiarów teledetekcyjnych” – mówi Crawford.
Angel Abbud-Madrid, dyrektor Centrum Zasobów Kosmicznych w Colorado School of Mines w Golden, Colo, również wskazuje bezpośrednie pomiary jako najważniejszy kolejny krok wynikający z nowych ustaleń. „To, co jest teraz potrzebne, to dotknięcie powierzchni Księżyca i zebranie szczegółowej prawdy o gruncie” – mówi. „Potwierdzenie nie tylko istnienia lodu wodnego, ale także jego morfologii, koncentracji, rozmieszczenia i obfitości jest niezbędne, aby kontynuować istniejące plany eksploracji i wykorzystania zasobów.”