Månernes vand:Hvor kom det fra – og hvor blev det hele af?

Brudstykker af månesten bragt tilbage fra månens overflade af astronauter på Apollo-rummissionerne giver ny indsigt om, hvor vores planets livgivende vand kom fra.

Næste gang du tager en tår vand, bruge et øjeblik på at overveje, hvor det kommer fra. Det kan have rejst fra et lokalt reservoir til din hane, mens flaskevand kan komme helt fra kilder i et andet land.

Men ny forskning tyder på, at det vand, vi drikker og er afhængige af for at opretholde livet her på Jorden, kan have sin oprindelse i et langt fjernere sted - det ydre rum.

Ny analyse af månestensfragmenter bragt tilbage af Apollo-astronauter i 1960'erne og 1970'erne tyder på, at meget af vandet på vores planet blev båret hertil af asteroider og kometer, der kolliderede med Jorden kort efter, at den blev dannet for 4,54 milliarder år siden.

Forskningen, som bruger moderne teknikker til at se på sammensætningen af ​​kemiske spor i klipperne, leverer også nye beviser til støtte for teorier om, hvordan Månen selv blev dannet, og hvordan sporene af vand, der blev fundet på dens overflade, kom dertil.

"Månen er som en tidskapsel, " sagde professor Frédéric Moynier, en kosmokemiker ved Institut de Physique du Globe de Paris, i Frankrig. "Dens klipper er langt ældre end noget, vi kan finde her på Jorden, så de har en masse værdifuld information."

Uændret

Vulkanisk aktivitet og den kontinuerlige bevægelse af tektoniske plader har ødelagt alle de ældste sten her på Jorden. Den ældste, der findes her, findes nogle få steder som Grønland, er kun 3,8 milliarder år gamle.

Månens sten, imidlertid, har stort set været uændret siden den blev dannet for 4,51 milliarder år siden. Gemt inde i mineralerne i klipperne er små mængder kemikalier såsom zink, kalium, kobber, krom og endda vand, som også blev fundet i små frosne aflejringer i meteoritnedslagskratere på månens overflade sidste år. Disse kemikalier er kendt som flygtige på grund af deres relativt lave kogepunkter, hvilket betyder, at de kan fordampe fra en planets – eller en månes overflade.

Ved at se på de relative mængder af forskellige isotoper af disse flygtige stoffer i månens klipper, videnskabsmænd som prof. Moynier har samlet information om månens tidlige historie og sammenlignet dette med det, vi finder her på Jorden.

Disse isotopers forhold fungerer som et fingeraftryk, der kan bruges til at matche kilden til de materialer, der findes på Jorden og månen. Dr. Mahesh Anand, en læser i planetarisk videnskab ved The Open University i Storbritannien og leder af et projekt kaldet RESOLVE, har brugt sofistikerede spektroskopiteknikker til at studere de flygtige isotoper fanget inde i krystaller af et mineral kaldet apatit i bjergarter bragt tilbage af Apollo-missionerne.

Han og hans kolleger har derefter sammenlignet disse med de isotopiske sammensætninger af flygtige stoffer her på Jorden, sammen med dem, der findes på asteroider og kometer, som er opnået fra meteoritter fundet på Jorden og interplanetariske rummissioner for at besøge kometer, såsom Den Europæiske Rumorganisations nylige Rosetta-mission.

Vand

Tre år siden, Dr. Anand var en del af en undersøgelse, som foreslog, at 80-90% af vandet på Jorden og månen kom fra en asteroidelignende kilde. "Mindre end 10% kom fra en kometlignende kilde, " han sagde.

Sidste år, han og hans team offentliggjorde yderligere resultater baseret på højpræcisionsanalyse af iltisotoper fundet i klipper på jorden og månen. De fandt kun små forskelle mellem de isotopiske egenskaber på de to kroppe.

"Hvis vandet var ankommet efter at månen var dannet, de to ville have haft meget forskellige isotopiske fingeraftryk, " sagde Dr. Anand. "Det tyder på, at Jorden og Månen modtog vand sammen på samme tid."

Dette peger på et fristende scenario - for en lille krop som månen at have opnået den samme isotopsammensætning tyder på, at de kan have været en del af den samme planet. Det understøtter teorier om, at en protoplanet på størrelse med Mars kaldet Theia styrtede ned i Jorden for lidt over 4,54 milliarder år siden, smide et brusebad eller dampe og snavs ud, som kondenserede og dannede vores måne.

Hvis Jorden og månen blev dannet i dette gigantiske nedslag, efter at vandet allerede var ankommet, som resultaterne af Dr. Anand og andre hold nu antyder, månen skulle have fået en del af det vand. Små mængder ilt og brint fanget inde i klipper under overfladen tyder på, at der en gang var mere vand på månen, end der er nu. De seneste ubemandede missioner til månen har opdaget nogle få rester af vandis fanget i beskyttede kratere omkring polerne, men meget af månens overflade er nu tør.

Så hvor blev månens vand af?

Det er her prof. Moyniers arbejde kommer ind i billedet. Han leder et projekt kaldet PRISTINE, der har til formål at måle de isotopiske niveauer af flygtige stoffer i månens sten for at lære, hvad der skete med vandet på månen.

"Forskellen mellem isotoperne er vægten, da atomerne har forskelligt antal neutroner i kernen, " sagde prof. Moynier. "Når du opvarmer flygtige stoffer som zink, kalium og vand, isotoperne opfører sig på forskellige måder. De lettere vil lettere blive til damp, mens de tungere vil blive tilbage i resten."

Fuldmagter

Ved at se på forholdet mellem tunge isotoper og lette i mere end 40 Apollo-stenprøver, Prof. Moynier og hans team har samlet noget af historien om vand og andre flygtige stoffer på månen.

De har fokuseret på faste flygtige stoffer som zink og kalium, fordi der er relativt højere koncentrationer af dem i månens sten end vand.

"Vand er så flygtigt, at der er meget lidt af det i månens sten, hvilket gør det svært at opdage i de små prøver, vi har med at gøre, " forklarede prof. Moynier. "Så vi kan bruge andre flygtige stoffer som zink, kalium og kobber som fuldmagter, der kan fortælle os noget om, hvad der skete med vandet. Ikke desto mindre, der er 100 gange mindre zink i månens klipper end dem på Jorden."

Prof. Moynier og hans kolleger fandt ud af, at ud over at have langt mindre chrom, zink og andre faste flygtige stoffer, sporene fra månen havde forskellige isotopforhold sammenlignet med Jorden - deres havde langt flere tungere isotoper.

"Det tyder på, at månen blev udtømt i disse flygtige elementer ved fordampning på et tidspunkt, " han sagde.

Han mener, at i stedet for at gå tabt i det gigantiske nedslag, der kløvede månen fra jorden i første omgang, det kan have mistet sit vand og andre flygtige stoffer engang senere.

Det menes, at efter at månen begyndte at dannes efter det gigantiske nedslag, dens overflade forblev smeltet i flere millioner år. Dette magmahav menes at være det, der førte til de karakteristiske lyse og mørke områder, eller hoppe, der er synlige på månens overflade.

"Da isotopfordelingen afhænger af temperaturen, vi kan bruge det som et termometer til at fortælle os, hvad der skete, " sagde prof. Moynier. Han og hans team har brugt chromisotoper til at kalibrere, hvad de så i måneprøverne til temperatur.

De fandt ud af, at de flygtige stoffer ikke gik tabt ved de ekstremt høje temperaturer, der ville forventes i en begivenhed som en gigantisk påvirkning, men ved lavere temperaturer på 1, 200 grader C.

Tyngdekraft

"Dette er præcis, hvad temperaturen i månens magmahav formodes at være, " sagde prof. Moynier. "Det vi ser er, at månen mistede sine flygtige stoffer ikke under selve det gigantiske nedslag, men måske en million år efter.

"De fordampede, men på grund af jordens tyngdekraft, de faldt sandsynligvis derefter tilbage på Jorden. Så noget af vores vand og andre flygtige stoffer er kommet fra månen. Ikke en masse, men nogle."

Men historien slutter heller ikke helt der. Dr. Anand og hans kollega Dr. Ana Černok, en geokemiker ved The Open University, har undersøgt virkningen af ​​meteoroidpåvirkninger på isotopsammensætningen af ​​flygtige stoffer i månens klipper.

Samlet fra en række forskellige steder under NASAs Apollo 17 bemandede mission til månen i 1972, prøverne består af overfladesten, kerner boret ned under overfladen, og materiale fra nedslagskratere.

De to har været i stand til at lede efter tegn på chok i apatitkrystallerne, der ville være forårsaget af meteoroid-nedslag. De fandt ud af, at mens nogle af prøverne viser signifikante tegn på chok, de isotopiske sammensætninger forbliver stort set upåvirkede.

Dette tyder på, at de flygtige stoffer som vand fanget inde i disse krystaller ikke er blevet ændret på trods af bombardement fra meteoritter på månen. Andre stoffer som uran fanget inde i apatitkrystallerne sammen med vandet har også givet dem mulighed for at datere, hvornår de blev dannet.

Resultaterne mangler stadig at blive offentliggjort, men Dr. Anand siger, at de er ved at finde aldre, der aldrig er blevet registreret i måneprøver.

"Vi forsøger stadig at finde ud af det selv, men det ser ud til at pege på en unik begivenhed i Jord-månesystemets geologiske historie."