Фрагменты лунной породы, доставленные с поверхности Луны астронавтами космической программы «Аполлон», пролили свет на то, откуда произошла вода на нашей планете. Новое исследование говорит, что вода, от которой зависит поддержание жизни на Земле, может иметь внеземное происхождение.
Анализ фрагментов лунной породы, привезённой космонавтами из программы Аполлон в 1960-х и 70-х показывает, что бо́льшая часть воды на нашей планете была принесена астероидами и кометами, которые сталкивались с Землёй вскоре после того, как она образовалась 4,54 миллиарда лет назад.
Исследование с использованием современных технологий изучения состава химических следов в породе также подтверждает теорию о том, как была сформирована Луна и откуда взялись следы воды, найденные на её поверхности.
«Луна — капсула времени, — говорит профессор Фредерик Муанье (Frédéric Moynier), космохимик в Парижском институте физики Земли (фр. Institut de Physique du Globe de Paris). — Порода оттуда намного древнее, чем то, что можно найти на Земле, из неё мы можем получить много ценной информации».
Вулканическая активность и непрерывное движение тектонических плит разрушили древнейшие образцы породы на Земле. Старейшим из обнаруженных образцов лишь около 3,8 миллиарда лет, но и такие найдены лишь в нескольких местах, в частности, в Гренландии.
Однако лунная порода оставалась в значительной степени неизменной, с тех пор как она сформировалась 4,51 миллиарда лет назад. Внутри минералов в породе скрыты небольшие количества таких химических веществ, как цинк, калий, медь, хром. В прошлом году были найдены даже небольшие замороженные остатки воды в кратерах, оставшихся от метеоритных ударов. Такие химические вещества называются летучими из-за их относительно низких точек кипения, что значит, они могут испаряться с поверхности планеты или Луны.
Изучая относительные объёмы различных изотопов этих летучих веществ в лунной породе, учёные, в том числе профессор Муанье, сопоставили разрозненную информацию о ранней истории Луны и сравнили её с тем, что найдено на Земле.
Эти отношения изотопов, как отпечатки пальцев, их можно использовать, чтобы сопоставить источники веществ, найденных на Земле и на Луне. Доктор Махеш Ананд (Mahesh Anand), старший преподаватель планетоведения в Открытом университете (The Open University) Великобритании и руководитель проекта RESOLVE, применяет высокоточную технику спектрометрии для изучения летучих изотопов внутри кристаллов в апатитах, привезённых благодаря программе Аполлон. Доктор и его коллеги сравнили их с изотопами летучих веществ на Земле, а также с найденными на астероидах и кометах. Метеориты были найдены на Земле, а также доставлены из межпланетных космических программ по исследованию комет, например миссии Розетта Европейского космического агентства.
Три года назад доктор Ананд был участником исследования, гипотеза которого состояла в том, что 80—90 % воды на Земле и Луне имеют астероидное происхождение. «Менее 10 % имеет происхождение кометное», — говорит он.
В прошлом году он и его коллеги опубликовали результаты исследований, основанных на высокоточном анализе изотопов кислорода в земной и лунной породах. Между свойствами изотопов этих двух образцов были выявлены лишь незначительные различия.
«Если бы вода появилась после того, как была образована Луна, изотопные следы отличались бы, — говорит доктор Ананд. — Из этого следует, что на Земле и на Луне вода появилась в одно и то же время».
Луна, небольшое тело, имеет ту же изотопную комбинацию, что и Земля, это означает, что она могла быть частью планеты. Данный факт подтверждает теории о том, что протопланета размером с Марс (её условно называют Тейя) врезалась в Землю примерно 4,54 миллиарда лет назад, подняв брызги или пар и осколки, из которых сформировалась Луна.
Если Земля и Луна образовались из-за этого столкновения уже после появления воды, как говорят исследования доктора Ананда и его коллег, на Луне должна была остаться часть воды. Незначительное количество кислорода и водорода внутри породы под поверхностью указывает, что на Луне раньше было больше воды, чем сейчас. Последние непилотируемые полёты на Луну открыли, что небольшая часть остатков воды осталась в закрытых кратерах вокруг полюсов, но в целом поверхность Луны сухая. Куда же делась вода?
Над этим вопросом работает профессор Муанье. Он руководит проектом под названием PRISTINE, цель которого — измерить изотопные уровни летучих веществ в лунной породе, чтобы узнать, что случилось с водой на Луне.
«Изотопы отличаются по весу, поскольку у атомов различное количество нейтронов в ядре, — говорит профессор Муанье. — Когда вы нагреваете летучие вещества, например цинк, калий или воду, изотопы ведут себя по-разному. Лёгкие превращаются в пар быстрее, а более тяжёлые остаются в осадке».
Изучив пропорции тяжёлых и лёгких изотопов более чем в 40 образцах породы, доставленных «Аполлоном», профессор Муанье и его коллеги воссоздали историю воды и других летучих веществ на Луне.
Они сфокусировались на твёрдых летучих веществах, таких как цинк и калий, потому что в лунном грунте более высокая концентрация этих веществ, чем воды.
«Вода настолько летучая, что её остаётся очень мало в лунной породе, что усложняет обнаружение её в небольших образцах, с которыми мы работаем, — объясняет профессор Муанье. — Потому мы можем использовать другие летучие вещества, например цинк, калий и медь, как заменители, которые могут рассказать нам о том, что случилось с водой. Даже несмотря на то, что цинка в лунной породе в 100 раз меньше, чем в земной».
Профессор Муанье и его коллеги выяснили также, что помимо того, что в лунном грунте гораздо меньше хрома, цинка и других твёрдых летучих веществ, лунные следы имеют другие изотопные отношения, чем земные, и в них намного более тяжёлые изотопы.
«Это указывает на то, что Луна однажды потеряла эти летучие элементы посредством испарения», — говорит он.
Он думает, что после образования Луны от сильного столкновения, её поверхность оставалась расплавленной несколько миллионов лет. Этот океан магмы, должно быть, привёл к образованию тёмных и светлых областей, или морей, которые видны на поверхности Луны.
«Поскольку распределение изотопов зависит от температуры, мы можем использовать его как термометр, чтобы сказать, что случилось», — говорит профессор Муанье. Он и его коллеги использовали изотопы хрома, чтобы превратить то, что они увидели в лунных образцах, в температурную шкалу.
Они выявили, что летучие вещества потерялись не при экстремально высоких температурах, как можно было ожидать от большого столкновения, но при температурах ниже 1200 градусов Цельсия.
«Это как раз температура предполагаемого океана магмы на Луне, — рассказывает Муанье. — Мы видим, что Луна потеряла летучие вещества не во время самого́ столкновения, но, возможно, теряла их миллион или более лет после него».
«Они испарились, но из-за гравитации Земли, они, возможно, вернулись на Землю. Так что какая-то часть воды и других летучих веществ имеют лунное происхождение. Немного, но всё же некоторая часть».
Но история не заканчивается и на этом. Доктор Ананд и его коллега доктор Ана Чернок, геохимик из Открытого университета, изучают влияние метеоритных ударов на изотопный состав летучих веществ в лунной породе.
Образцы, собранные на различных территориях во время пилотируемого полёта «Аполлона-17» на Луну в 1972 году, состоят из породы с поверхности, а также извлечённой из скважин и вещества из метеоритных кратеров.
Учёные должны были найти в кристаллах апатита признаки удара от попадания метеорита. Они выяснили, что, несмотря на то, что у некоторых образцов есть признаки удара, состояние изотопов в большой степени не затронуто им. Это говорит о том, что летучие вещества, такие как вода, оставшиеся внутри кристаллов, не претерпели преобразований, несмотря на бомбардировку Луны метеоритами. Другие вещества, например уран, попавший внутрь кристаллов вместе с водой, позволили датировать их формирование.
Результаты пока не опубликованы, но доктор Ананд говорит, что они обнаруживают возраст, никогда ранее не фиксировавшийся в лунных образцах.
«Мы всё ещё пытаемся разобраться в этом сами, но, похоже, это указывает на некое уникальное событие в геологической истории системы Земля—Луна».
