Il 20 luglio 1969, il modulo lunare dell’Apollo 11 atterrò sulla superficie della luna. Poche ore dopo, il 21 luglio, Neil Armstrong e Buzz Aldrin uscirono. La missione fu il culmine del decennale programma Apollo per portare gli esseri umani sulla luna. È stato senza dubbio uno dei coronamenti scientifici e ingegneristici del 20 ° secolo – ma cosa abbiamo imparato sulla luna?,
Durante le due ore e un quarto trascorse fuori dal modulo sulla luna, Armstrong e Aldrin raccolsero circa 20 kg di rocce e altro materiale lunare. Le successive cinque missioni Apollo che raggiunsero la luna riportarono anche campioni, oltre 300 kg in totale.
Quando gli astronauti dell’Apollo tornarono con i loro tesori, i chimici poterono iniziare a studiare direttamente la composizione del nostro satellite. Questa ricerca continua ancora, man mano che vengono sviluppate nuove tecniche analitiche e poste nuove domande teoriche.,
Tutti in mare
Quando Galileo Galilei pubblicò le sue rivoluzionarie osservazioni telescopiche nel 1610, attribuì i mutevoli modelli di luce che vedeva sulla superficie della luna alle montagne che catturavano l’alba lunare prima che raggiungesse le pianure. Questa conclusione fu immediatamente contestata dai filosofi accademici, che la considerarono incompatibile con la dottrina di Aristotele secondo cui tutti i corpi celesti erano sfere perfette.,
Spettroscopia potrebbe rilevare gli elementi al sole, ma non ha rivelato poco sulla luna, che semplicemente riflette la luce solare
alla fine del 17 ° secolo, tuttavia, è stato ampiamente accettato che la luna è un corpo materiale con caratteristiche topografiche simile a quella della Terra. Più scura e liscia aree sono state, pertanto, di nome maria (mari), e più e più ruvida regioni terrae (le terre). I suoi numerosi crateri sono stati assunti come vulcani., Nel suo 1687 Principia Mathematica Isaac Newton stimò l’attrazione gravitazionale della luna dalle misurazioni dell’ascesa e della caduta delle maree, e calcolò la sua densità per essere undici-nono della Terra – quasi il doppio del valore corretto.
Sebbene i fisici del xix secolo potessero misurare la massa della luna molto più accuratamente, la sua composizione rimase misteriosa. La spettroscopia potrebbe rilevare elementi nel sole e nelle stelle, ma inizialmente ha rivelato poco sulla luna, che riflette semplicemente la luce solare, meno le frequenze che assorbe.,
Nel 20 ° secolo, telescopi più grandi e una migliore fotografia hanno prodotto mappe più dettagliate della superficie lunare. Tuttavia, l’importanza relativa del vulcanismo e del bombardamento nel plasmare quella superficie fu vigorosamente contestata, in particolare negli accesi scambi tra il chimico americano premio Nobel Harold Urey e l’illustre astronomo olandese – americano Gerard Kuiper. Nel frattempo i calcoli dell’astronomo statunitense Ralph Baldwin, che indicavano che la maggior parte dei crateri lunari erano troppo grandi per essere vulcanici, furono in gran parte ignorati fino all’inizio della corsa allo spazio.,
Primi sbarchi
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La sonda Luna 2 dell’Unione Sovietica è atterrata sulla luna 60 anni fa e ha inviato dati preziosi
Nel 1959 la sonda Luna 2 dell’URSS ha colpito la luna. Prima dell’impatto i suoi strumenti non hanno rilevato alcun campo magnetico, il che implica l’assenza di un nucleo di ferro liquido simile alla Terra. Osservazioni sismologiche in seguito hanno indicato che il nucleo di ferro della luna è molto piccolo e per lo più solido., Quando Luna 10 orbitò attorno alla luna nel 1966, il suo spettrometro a raggi gamma analizzò la radiazione emessa dai nuclei atomici che erano stati colpiti da raggi cosmici ad alta energia. Ha rilevato elementi che indicano la presenza di basalto – la roccia vulcanica terrestre più comune-nelle regioni più scure ancora chiamate maria. Gli astronomi avevano da tempo concluso che questi ‘mari’ non contenevano acqua, ma il nome sopravvisse.
Nel 1967 il Surveyor 5 degli Stati Uniti sbarcò sul Mare Tranquilitatis – il “Mare della Tranquillità”., Ha usato il back-scattering alfa-particella da elementi sulla superficie per identificare un tipo specifico di basalto, che si trova comunemente in Groenlandia (il basalto non è un singolo composto, ma una miscela di diversi silicati in proporzioni variabili). Il passo successivo è stato per gli astronauti raccogliere campioni lunari.
Tra il 1969 e il 1972 i sei atterraggi Apollo degli Stati Uniti hanno prodotto circa 381 kg di materiale, mentre tre delle sonde robotiche dell’URSS hanno restituito 0,326 kg tra il 1970 e il 1976. Gli scienziati hanno esaminato intensamente questi esemplari, poiché sembrava improbabile che ne sarebbero stati disponibili altri per molti anni., Nel 1982, tuttavia, un’altra fonte fu identificata dal geochimico neozelandese Brian Mason, il curatore di meteoriti allo Smithsonian Institute di Washington DC.
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Le missioni Apollo è andato sulla luna e portato indietro di campioni di roccia lunare
Quando la Nasa ha inviato un insolito esemplare da Antartide, Mason subito notato la sua somiglianza al materiale raccolto dagli astronauti., Il suo caratteristico rapporto ferro-manganese in seguito confermò che proveniva dalla luna-sabbiata libera da un gigantesco impatto, e successivamente catturata dalla gravità terrestre. Più meteoriti-oltre 190 kg in totale-hanno dato prove chimiche e mineralogiche della loro origine lunare. Questi corpi contengono anche radioisotopi generati dall’esposizione ai raggi cosmici sulla luna o nello spazio., All’interno dell’atmosfera terrestre, che attutisce la radiazione cosmica, la formazione di questi “nuclidi cosmogenici” cessa e, poiché hanno tassi di decadimento diversi, le loro proporzioni relative indicano quando un meteorite ha raggiunto la Terra.
Non formaggio dopo tutto
Interpretare tutti questi dati è un esercizio problematico, perché la superficie lunare è un’entità composita., A differenza della Terra, la luna non ha magnetosfera per impedire al vento solare di depositare idrogeno (e quantità minori di elementi più pesanti) su di essa, e mentre la bassa gravità lunare consente a gran parte di questo materiale di dissiparsi nello spazio, ne continuano ad arrivare altri. La luna è anche disseminata di meteore che differiscono significativamente dal suo materiale superficiale originale – che è stato a sua volta radicalmente trasformato da impatti violenti.,
Fonte: per gentile Concessione di NASA
Esempi portati indietro dalla luna sono stati studiati di nuovo qui sulla Terra (tra cui gli astronauti di Apollo 11 qui)
Molto della superficie lunare è coperto con regolite, una polvere miscela di rocce che sono stati distrutti e quindi più volte agitato da bombardamento – un processo selenologists chiamata ‘giardinaggio’. Spesso contiene minuscole sferule vetrose, la maggior parte delle quali probabilmente create quando gli impatti meteorici scioglievano le rocce di silicato e sparpagliavano le goccioline risultanti, anche se alcune possono essere di origine vulcanica., Impatti più grandi hanno rilasciato abbastanza energia per fondere depositi minerali eterogenei in rocce composite-note come breccia – che i bombardamenti successivi hanno frantumato. A poco a poco, questo record caotico è stato decifrato.
Prima dell’inizio dell’era spaziale, sapevamo che la densità della luna era circa il 60% di quella della Terra. I dati provenienti da strumenti orbitanti e campioni di superficie confermavano la predominanza di elementi più leggeri nella sua crosta. Primo fra questi sono ossigeno (45% in peso) e silicio (21% in peso), per lo più combinato con alluminio, calcio, magnesio, ferro e titanio in vari minerali silicati., Molti altri elementi si verificano in quantità minori, anche se quelli più pesanti sono molto rari.
La distribuzione spaziale di questi elementi non è uniforme. In media, le rocce montane lunari contengono quasi tre volte tanto alluminio, circa un terzo tanto ferro, e meno di un quinto tanto titanio come basalti maria. Ma queste cifre ancora sottorappresentano la diversità della luna. I campioni provenienti da diversi siti di atterraggio mostrano variazioni significative, così come i meteoriti lunari trovati sulla Terra.
Apollo 11, 12 e 14 tutte le aree di pianura mirate., I loro campioni differivano notevolmente l’uno dall’altro, e più marcatamente dal materiale raccolto sui siti delle alture da Apollo 15 e 16. Differenze analoghe sono state riscontrate tra campioni di pianura restituiti da Luna 16 e 24 e materiale di altopiano fornito da Luna 20. Dal terreno insolito del Mare Serenitatis Apollo 17 ha portato reperti unici che hanno ulteriormente arricchito il quadro. Successivamente, un contesto più ampio per tutti questi risultati è emerso da lunghe indagini spettroscopiche fatte da sonde orbitanti, tra cui il Lunar Prospector degli Stati Uniti (1998-9) e lo SMART-1 dell’Agenzia Spaziale europea (2003-6).,
Sotto una crosta fluttuante di sostanze più leggere, materiali più densi come l’olivina ricca di ferro affondarono nel magma ancora fuso sotto
Nel complesso, la roccia delle alture lunari più comune è l’anortosite (che è diffusa anche sulla Terra). Le anortositi lunari sono costituite principalmente da feldspato plagioclasio, una miscela il cui componente principale è l’anortite (CaAl2Si2O8), più qualche albite (NaAlSi3O8)., Le rocce dell’altopiano possono anche includere piccole quantità di altri minerali, tra cui l’olivina (una miscela di Mg2SiO4 e Fe2SiO4) e ilmenite (principalmente FeTiO3), entrambe più abbondanti nel maria.
Gli astronauti che esploravano il maria a piedi hanno trovato frammenti di roccia di colore più chiaro rispetto al materiale circostante e chimicamente diversi da esso. Si sono rivelati detriti provenienti da rocce feldspatiche dell’altopiano, frantumate e disperse da massicci impatti meteorici., Le bolle di argon intrappolate in questi esemplari (prodotte dal decadimento radioattivo del potassio-40) hanno rivelato che si erano solidificate molto prima del basalto maria sotto di loro.
La datazione isotopica delle sue rocce più antiche indica che la superficie lunare iniziò a solidificarsi circa 4,5 miliardi di anni fa. Sotto una crosta galleggiante di sostanze più leggere (principalmente anortositi), materiali più densi come l’olivina ricca di ferro affondarono nel magma ancora fuso sottostante., Nel frattempo, le collisioni con corpi di dimensioni di asteroidi hanno creato enormi depressioni nella superficie, alcune delle quali sono state riempite di roccia fusa per creare il maria. Questo processo, tuttavia, era più complesso di quanto non sembrasse.
Le età relative di maria possono essere stimate dalla misura in cui le loro superfici (originariamente lisce) sono state craterizzate da impatti successivi, ma la datazione isotopica dei campioni può mostrare più precisamente quando una particolare superficie si è solidificata., Sembra che la maggior parte dei bacini creati dagli impatti degli asteroidi non siano stati riempiti di magma immediatamente – anzi, il ritardo potrebbe durare molti milioni di anni. Questo upwelling ha quindi richiesto un altro fattore che ha contribuito, che ulteriori indagini chimiche hanno rivelato.
Kreeping verso la comprensione
Molti campioni Apollo incluso un componente inaspettato – una miscela nota come ‘Kreep’, contenente potassio (K), elementi delle terre rare (REE) e fosforo (P)., A causa di vari vincoli fisici e chimici, questi elementi erano riluttanti a cristallizzare con le sostanze che li circondavano, e così si concentrarono nel magma liquido rimanente. Quando alla fine si solidificavano, erano spesso accompagnati da altri elementi relativamente asociali. Questi includevano uranio e torio che – insieme al potassio radioattivo-40 – potevano generare abbastanza calore per fondere le rocce.,
Fonte: Courtesy of Wikimedia Commons
i dati Più recenti, dimostra quanto il torio è presente in diverse parti della luna (la faccia visibile sulla sinistra; faccia nascosta sulla destra)
sembra probabile che, sotto la superficie, le concentrazioni di calore-produzione di elementi alimentato l’attività vulcanica che ha penetrato la crosta lunare e riempito l’impatto depressioni. Questa tesi è corroborata da una sorprendente anomalia. Il lato della luna rivolto lontano dalla Terra ha molti bacini d’impatto, ma quasi nessun maria., Questo è attribuito alla resistenza dalla crosta del lato lontano, che le indagini satellitari hanno dimostrato di essere circa 15 km più spessa della crosta sul lato rivolto verso di noi. Significativa è anche la relativa scarsità – come rivelato dalle osservazioni satellitari – dei depositi di Kreep che generano calore sul lato opposto.
Mentre si accumulavano prove sulla composizione della luna, il dibattito sulle sue origini si intensificò. Alcuni astronomi avevano suggerito che la luna fosse stata scorporata dalla proto-Terra, ma la modellazione al computer mostra che ciò richiederebbe una velocità di rotazione improbabile., Altri pensavano che la luna si fondesse da una nuvola di polvere che orbitava intorno alla Terra, anche se il modo in cui questa nube si originò rimase misterioso. E alcuni presumevano che la Terra catturasse una luna completamente formata che attraversò il suo percorso durante la caotica giovinezza del sistema solare. I modelli al computer, tuttavia, indicano che a meno che le traiettorie di due di questi corpi non siano state allineate in modo ottimale, ne sarebbe derivata una perdita o una collisione.
Allo stato attuale, la teoria dell’origine più convincente è che la collisione con un corpo delle dimensioni di Marte ha rimodellato la Terra e creato la luna., Una forte prova di ciò deriva dalle notevoli somiglianze trovate tra la chimica lunare e quella terrestre. Sebbene la luna sia più povera di elementi più pesanti, le proporzioni relative dei suoi elementi più leggeri sono molto simili a quelle della Terra. Inoltre, gli isotopi di alcuni elementi (in particolare l’ossigeno) si verificano in proporzioni quasi identiche nelle rocce terrestri e lunari. Al contrario, altri campioni extra-terrestri-da meteoriti e dalle sonde di Marte – presentano una diversità chimica e isotopica molto maggiore.,
Fonte: © Science Photo Library
Tutti i punti di prova per la luna di essere stata creata da Terra in collisione con un randagio pianeta
sembra dunque probabile che, circa 4,6 miliardi di anni fa un randagio pianeta (a posteriori chiamato Theia) entrò in collisione con la Terra così violentemente che quasi tutti i materia – e molto terrestre – vaporizzato. Questo gas incandescente divenne completamente miscelato prima che la maggior parte di esso si solidificasse attorno al nucleo terrestre, mentre il resto si condensò per formare la luna.,
L’applicazione di nuove tecniche alle risorse esistenti può ancora dirci di più sulla composizione e la storia della Luna – quest’anno, il programma di analisi del campione Apollo Next Generation ha impegnato 8 8 milioni (£6.3 milioni) in nuovi progetti – ma una nuova ondata di esplorazione è già iniziata. La sonda lunare cinese Chang’e 4 sta ora trasmettendo dati entusiasmanti dal bacino di Aitken, vicino al polo sud della luna. Questa enorme depressione – larga 134 km e profonda 6 km – è stata probabilmente creata da un asteroide largo 200 km circa 4 miliardi di anni fa., Gli scienziati hanno creduto a lungo che incrinasse la crosta lunare, rilasciando materiale fuso dal mantello (anche se non abbastanza da formare aree scure molto grandi come la maria sul lato vicino della luna).
Le analisi spettrochimiche di Chang’e 4 hanno ora identificato minerali superficiali che supportano questa affermazione, e altri risultati sono attesi a breve. Nel frattempo la Nasa sta cercando urgentemente finanziamenti federali per gli sbarchi umani entro il 2024 e gli imprenditori stanno preparando missioni finanziate privatamente per cercare risorse minerarie sfruttabili., Molto è già stato appreso sulla chimica della luna, ma ulteriori sorprese potrebbero ancora attendere la prossima generazione di esploratori.
Mike Sutton è uno storico della scienza con sede a Newcastle, Regno Unito
Ulteriori letture
B L Joliffe, M A Wieczorek, C K Shearer e C R Neal (eds), New Views of the Moon, de Gruyter & Co, 2018
D Whitehouse, The Moon: A Biography, Headline, 2001