Secondo un nuovo studio del MIT, Massachusetts Institute of Technology, la sottile atmosfera lunare è probabilmente il risultato di impatti meteorici avvenuti nel corso di miliardi di anni.
Sebbene la Luna sia priva di aria respirabile, possiede un’atmosfera quasi impercettibile. Sin dagli anni ’80, gli astronomi hanno osservato uno strato molto sottile di atomi che rimbalza sulla superficie lunare. Questa delicata atmosfera, tecnicamente nota come “esosfera”, è probabilmente il risultato di un processo di alterazione spaziale, ma finora non era chiaro quale fosse il processo esatto.
Ora, gli scienziati del MIT e dell’Università di Chicago affermano di aver identificato il processo principale che ha formato e continua a mantenere l’atmosfera lunare. In uno studio pubblicato su Science Advances, il team riferisce che l’atmosfera lunare è principalmente il prodotto della “vaporizzazione da impatto”.
Analizzando campioni di suolo lunare raccolti durante le missioni Apollo della NASA, i ricercatori hanno scoperto che nel corso dei 4,5 miliardi di anni di storia della Luna, la sua superficie è stata continuamente bombardata, prima da grandi meteoriti e poi da micrometeoroidi più piccoli.
Questi impatti hanno sollevato il suolo lunare, vaporizzando alcuni atomi al contatto e sollevando particelle nell’aria. Alcuni atomi vengono espulsi nello spazio, mentre altri rimangono sospesi sopra la Luna, formando una tenue atmosfera che viene costantemente riempita dai continui impatti meteorici.
I ricercatori hanno determinato che la vaporizzazione da impatto è il processo principale che ha generato e sostenuto la tenue atmosfera lunare per miliardi di anni.
“Diamo una risposta definitiva che la vaporizzazione da impatto dei meteoriti è il processo dominante che crea l’atmosfera lunare”, afferma Nicole Nie, autrice principale dello studio e assistente professore al MIT. “La Luna ha quasi 4,5 miliardi di anni e da allora la superficie è stata continuamente bombardata da meteoriti. Mostriamo che alla fine un’atmosfera sottile raggiunge uno stato stazionario perché viene continuamente riempita da piccoli impatti su tutta la Luna”.
I coautori di Nie includono Nicolas Dauphas, Zhe Zhang e Timo Hopp dell’Università di Chicago e Menelaos Sarantos del Goddard Space Flight Center della NASA.
I ruoli degli agenti atmosferici
Nel 2013, la NASA ha inviato il Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer (LADEE) per una ricognizione atmosferica dettagliata della Luna. La missione di LADEE era progettata per determinare le origini dell’atmosfera lunare. Gli scienziati speravano che le misurazioni remote effettuate dalla sonda potessero essere correlate con processi di alterazione spaziale che avrebbero spiegato la formazione dell’atmosfera lunare.
I ricercatori sospettavano che due processi giocassero un ruolo nel modellare l’atmosfera lunare: la vaporizzazione da impatto e lo “sputtering di ioni” causato dal vento solare. Il vento solare trasporta particelle cariche di energia dal Sole attraverso lo spazio, e quando queste particelle colpiscono la superficie della Luna, possono far scoppiettare e volare in aria gli atomi del suolo.
“Sulla base dei dati LADEE, sembra che entrambi i processi abbiano un ruolo”, afferma Nie. “Durante gli sciami di meteoriti si vedono più atomi nell’atmosfera, indicando che gli impatti hanno un effetto. Ma durante un’eclissi, quando la Luna è protetta dal Sole, si verificano cambiamenti negli atomi dell’atmosfera, il che significa che anche il Sole ha un impatto. Quindi, i risultati non erano chiari o quantitativi”.
Risposte nel suolo
Per definire con maggiore precisione le origini dell’atmosfera lunare, Nie ha esaminato campioni di suolo lunare raccolti durante le missioni Apollo. Lei e i suoi colleghi dell’Università di Chicago hanno acquisito 10 campioni di suolo lunare, ciascuno dei quali misura circa 100 milligrammi.
Nie ha isolato due elementi da ciascun campione: potassio e rubidio. Entrambi gli elementi sono “volatili” e possono essere facilmente vaporizzati dagli impatti e dallo sputtering di ioni. Ogni elemento esiste sotto forma di diversi isotopi. Un isotopo è una variazione dello stesso elemento con lo stesso numero di protoni ma un numero diverso di neutroni.
Il team ha concluso che se l’atmosfera della Luna fosse costituita da atomi vaporizzati e sospesi nell’aria, gli isotopi più leggeri sarebbero sollevati più facilmente, mentre quelli più pesanti si depositerebbero nel terreno. Inoltre, la vaporizzazione da impatto e lo sputtering di ioni dovrebbero comportare proporzioni isotopiche molto diverse nel suolo.
Nie ha analizzato i campioni dell’Apollo, frantumando il terreno in polvere fine, sciogliendola in acidi per isolare potassio e rubidio, e passando queste soluzioni attraverso uno spettrometro di massa per misurare i vari isotopi.
Alla fine, il team ha scoperto che i suoli contenevano per lo più isotopi pesanti sia di potassio che di rubidio. Confrontando i rapporti isotopici, hanno concluso che la vaporizzazione per impatto era il processo dominante che vaporizzava gli atomi per formare l’atmosfera lunare.
“Con la vaporizzazione per impatto, la maggior parte degli atomi rimarrebbe nell’atmosfera lunare, mentre con lo sputtering ionico molti atomi verrebbero espulsi nello spazio”, afferma Nie. “Dal nostro studio, ora possiamo quantificare il ruolo di entrambi i processi, dicendo che il contributo relativo della vaporizzazione per impatto rispetto allo sputtering ionico è di circa 70:30 o maggiore”.
“La scoperta di un effetto così sottile è notevole, grazie all’idea innovativa di combinare le misurazioni degli isotopi di potassio e rubidio con una modellizzazione quantitativa accurata”, afferma Justin Hu, postdoc all’Università di Cambridge, non coinvolto nello studio. “Questa scoperta va oltre la comprensione della storia della Luna, poiché tali processi potrebbero essere significativi su altre lune e asteroidi, che sono al centro di molte missioni future”.
“Senza questi campioni Apollo, non saremmo in grado di ottenere dati precisi e comprendere i processi in dettaglio”, afferma Nie. “È importante riportare campioni dalla Luna e da altri corpi planetari per tracciare un quadro più chiaro della formazione e dell’evoluzione del sistema solare”.
Questo lavoro è stato sostenuto dalla NASA e dalla National Science Foundation.
