Появление воды на Луне от солнечного ветра и метеоритов воспроизвели в лаборатории

Лабораторные эксперименты, имитирующие воздействие солнечного ветра и ударов микрометеоритов по лунному грунту, показали возможность синтеза воды на изначально абсолютно сухих частицах минералов. В работе с описанием результатов опытов впервые предложена полноценная схема появления воды на ближайшем небесном теле, пишут авторы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

За последние годы ученые собрали убедительные доказательства наличия воды на Луне, особенно в полярных областях. В различных наблюдениях были обнаружены свойственные молекулам воды линии поглощения в инфракрасной области, а на залежи льда указали как данные радарного сканирования с наземных радиотелескопов, так и результаты нейтронной спектрометрии, осуществленной автоматическими спутниками.

Потенциально существует множество вариантов появления воды на Луне. Во-первых, вода может изначально входить в состав слагающих ее пород, выделяясь в чистом виде при попадании на поверхность посредством геологических процессов. Во-вторых, ее могли занести падающие кометы и богатые водой астероиды. В-третьих, она может синтезироваться непосредственно на поверхности под воздействием различных космических процессов.

Существуют наблюдательные указания в пользу последнего варианта. В частности, зонд Moon Mineralogy Mapper показал присутствие молекул воды или радикалов гидроксила (OH) на всех широтах и типах почв. Эти данные стали мотивацией для проведения множества лабораторных экспериментов по облучению протонами с энергией в несколько килоэлектровольт силикатов, из которых состоит грунт на поверхности Луны. Однако результаты этих опытов были противоречивыми.

В работе под руководством Чэна Чжу (Cheng Zhu) из Гавайского университета в Маноа описываются результаты новых лабораторных экспериментов. В одной серии опытов ученые облучали ионами дейтерия с энергией 5 килоэлектровольт в условиях сверхвысокого вакуума безводный минерал оливин [(Mg,Fe)₂SiO₄], который входит в состав лунного реголита и обычно используется в качестве его замены. В другом эксперименте обработанные таким способом образцы также подвергали воздействию лазерного излучения, что имитировало нагрев от попадания микрометеорита.

Отдельно бомбардировка дейтерием при температуре в 10 кельвинов не приводила к появлению спектральных сигналов молекул воды или ее предшественников даже после нагревания образцов до характерных для полдня на средних широтах Луны 300 кельвинов. Однако при этом появлялось небольшое количество молекул дейтерия, что говорило о его накоплении в минерале и последующем выделении.

Это навело авторов на идею о необходимости дополнительно высокоэнергетического воздействия для стимулирования образования воды. Ученые выбрали нагрев лазерными импульсами до температур свыше 1000 кельвинов, что заведомо выше возможностей солнечного излучения, но вполне достижимо при попадании микрометеорита. Такое воздействие приводило к появлению заметного сигнала в данных масс-спектрометра, соответствующего как частицам с массой 4 (молекулярные ионы дейтерия), так и 20 (молекулярные ионы тяжелой воды D₂O).

Подробное исследование образцов с помощью сканирующего электронного микроскопа выявило обширные оплавленные лазерным излучением области, на ровных поверхностях которых наблюдались ямки размером менее микрона, причем рядом с некоторыми из них находились «крышечки». Авторы интерпретируют образование этих особенностей как разрыв вещества из-за накопления высокого давления газов под поверхностью. Исследователи считают, что создавшим такое давление газом были пары синтезированной воды.

«В целом данная работа продвигает наше понимание происхождения воды уже обнаруженной на Луне и других лишенных атмосферы телах Солнечной системы, таких как Меркурий и астероиды, — заключает соавтор работы Джеффри Джилис-Дэвис (Jeffrey Gillis-Davis). — Также статья впервые демонстрирует научно обоснованный и проверенный механизм образования воды».

Недавно ученые нашли свидетельства, что сразу после формирования Луна была влажной и содержала заметные количества воды, оценили массу выбиваемой метеоритами с поверхности тела в год воды и нашли там «гололед». О запутанной истории обнаружения и опровержения существования воды на Луне читайте в нашем материале «За водой на Луну».