По данным нейтронной спектроскопии лунных пород, собранным орбитальной станцией двадцать лет назад, учёные построили общую карту распределения водорода на поверхности Луны. Карта определяет два типа пород с повышенным содержанием водорода и подтверждает гипотезы о нахождении водорода и воды на Луне в связи с её геологической историей. В частности, подтверждается роль воды в образовании и последующем остывании магматического океана на ранних стадиях формирования спутника.
Для этого использовались данные по рассеянию нейтронов космического излучения на лунной поверхности от орбитального аппарата Lunar Prospector. Эта лунная орбитальная станция запущена ещё в 1998 году и пробыла на орбите полтора года, после чего совершила управляемое падение на поверхность. Именно по её данным впервые сделали вывод о повышенном содержании водорода в лунных приполярных областях. Теперь именно эти участки привлекают особое внимание и рассматриваются в качестве перспективных целей будущих лунных станций, которые будут исследовать один из ценных лунных ресурсов — залежи водяного льда неглубоко под поверхностью или в неосвещённых Солнцем кратерах. Подробнее о распределении льда на Луне, а также о связанных с этим перспективах будущих лунных проектов можно подробнее прочитать в нескольких материалах; например, см. нашу недавнюю статью о будущем луноходе VIPER и ссылки на другие «лунные» материалы под ней.
Источники космического излучения — в частности, взрывы звёзд. Космические лучи — это высокоэнергетичные протоны и нейтроны, которые перемещаются со скоростями, близкими к скорости света. При попадании на поверхность планеты такие частицы выбивают атомы, из которых сложены породы. Если исследовать элементный состав таких осколков от разлёта, или, наоборот, изменение космического потока при взаимодействии с грунтом, можно составить представление о строении горных пород планеты.
Водород может входить в состав лёгких атомных групп H2O и OH — собственно вода и гидроксильная группа. Принцип обнаружения при помощи нейтронного облучения как раз использует тот факт, что эти группы по массе сопоставимы с массой отдельного протона или нейтрона космического излучения. Это значит, что при упругом соударении нейтрон легко приводит в движение такую группу — здесь можно представить себе столкновение биллиардного шара с шаром такой же массы: налетающий шар останавливается, а покоящийся — приходит в движение с такой же скоростью. То есть лёгкие молекулы, в частности, водородосодержащие группы эффективно останавливают нейтронное излучение (по этому же механизму вода используется в качестве замедлителя нейтронов в ядерных реакторах). Измеряя долю «остановленных» таким образом нейтронов в потоке космического излучения, можно узнать концентрацию таких лёгких молекул в верхних слоях породы космического тела. Такой же принцип применяется в геологической разведке — один из её методов использует источники и детекторы нейтронов для «просвечивания» горных пород — так определяют содержание в пласте породы воды или углеводородов, тоже имеющих в своём составе много атомов водорода. Разница в том, что при геологической съёмке используют искусственные источники нейтронов, а для лунной поверхности таким источником выступает естественное космическое излучение.
Для практической реализации идеи остаётся должным образом откалибровать данные по относительному уменьшению потока отражённых нейтронов в разных точках лунной поверхности. Такие данные поступили от нейтронного спектрометра, одного из пяти научных инструментов зонда Lunar Prospector. О подробностях пересчёта и результатах можно узнать в статье, вышедшей в июне 2022 года в Journal of Geophysical Research: Planets.
Метод позволяет измерить концентрацию водорода на глубинах до десятков сантиметров, то есть там, куда имеют возможность проникнуть космические лучи. Съёмка со спутников в видимом и инфракрасном свете может зафиксировать распределение воды только на самой поверхности, с глубиной проникновения всего в десятки микрон. Интересно, что распределение водорода по поверхности коррелирует и с данными по лунным образцам, собранным «Аполлонами» в нескольких точках посадки.
Содержание водорода повышено в двух типах материалов. Во-первых, это породы на плато Аристарха — крупнейшая область лунных пирокластических отложений. Это обломки пород, которые образовались при выбросе из вулканических кратеров во время извержений. Это подтверждает выводы о значительной роли, которую вода и водород играли во время магматических событий в ранней истории Луны. Второй вид пород — так называемые породы типа KREEP. Этот акроним обозначает лунные породы лавового происхождения и указывает на их преобладающий состав: калий (K), редкоземельные элементы (REE, Rare-Earth elements) и фосфор (P).
Популярная теория образования Луны предполагает, что её материал — расплавленные фрагменты пород и куски лавы, которые были выброшены в околоземное пространство при катастрофическом столкновении некоторого массивного тела с Землёй на ранней стадии её истории. Они вращались на орбите вокруг Земли, постепенно собираясь в рыхлый «ком» под действием гравитации. Такой же механизм, как считают, работал и при образовании планет из остатков протопланетного диска, и впоследствии — из планетезималей. По мере охлаждения материала будущего спутника в твёрдую фазу последовательно выпадали разные минералы с разными температурами кристаллизации. Вероятно, породы KREEP были типом материала, кристаллизация которого проходила в последнюю очередь.
Новая карта не только завершает «инвентаризацию» имеющегося на Луне водорода по ареалам обитания, но и позволяет узнать, сколько водорода и воды находилось на Луне в момент её рождения. Почти десять лет назад орбитальная съёмка нейтронным спектрометром также подтвердила залежи водного льда в полярных областях Меркурия. Такой же вывод давно сделан о Марсе: известно, что видимые даже с Земли снеговые шапки на его полюсах содержат большое количество льда (больше того, марсианские станции, работающие в приполярных областях, доставили прямые доказательства наличия на Марсе водяного льда недалеко от поверхности). Такие находки, кроме теоретического значения для изучения эволюции Солнечной системы, также позволяют планировать места посадки будущих марсианских и лунных станций.