Несмотря на отсутствие пригодной для дыхания атмосферы, Луна обладает тонкой и разреженной экзосферой. Долгое время учёные пытались определить основной процесс, поддерживающий её существование. Новое исследование, проведённое группой учёных под руководством Николь Ни, доцента Массачусетского технологического института (MIT), показало, что эта экзосфера обязана своим существованием интенсивной бомбардировке Луны метеоритами.

На протяжении 4,5 миллиардов лет существования Луны её поверхность непрерывно подвергалась ударам метеоритов. В результате этих столкновений происходило явление, называемое «испарением при ударе». Этот процесс происходит, когда метеориты поднимают лунный грунт, испаряя материалы, которые либо улетают в космос, либо остаются подвешенными над Луной, тем самым обновляя её экзосферу.

«Теперь нам известно, что «испарение» при ударе метеорита является доминирующим процессом, который создаёт лунную атмосферу. Луне около 4,5 миллиардов лет, и на протяжении всего этого времени её поверхность непрерывно бомбардировалась метеоритами. Мы показываем, что в конечном итоге тонкая атмосфера достигает устойчивого состояния, поскольку она непрерывно пополняется взвесью от небольших ударов по всей Луне», — заявила руководитель группы Николь Ни.

Источник: NASA

Испещренная поверхность Луны является явным геологическим напоминанием о том, что на протяжении всей её почти 4,5-миллиардной истории она была усеяна метеоритными телами. На раннем этапе жизни Луны молодая Солнечная система была бурной и неспокойной. В результате поверхность Луны часто подвергалась ударам массивных метеоритов. По мере старения Луны бомбардировка продолжалась, но размеры метеоритов уменьшались до более мелких микрометеоритов. Тем не менее, эти менее мощные удары были всё ещё достаточными, чтобы позволить процесс испарения при ударе продолжался и непрерывно пополнял атмосферу Луны.

Учёные впервые начали подозревать, что падение метеоритов на Луну отчасти ответственно за образование экзосферы, когда в 2013 году космический аппарат NASA по исследованию лунной атмосферы и пылевой среды (LADEE) исследовал тонкую атмосферу Луны, условия на её поверхности и влияние окружающей среды на лунную пыль.

Наблюдения привели учёных к выделению двух процессов, восстанавливающих экзосферу. Первый — это ударное испарение, второй — «ионное распыление». Последний процесс происходит, когда высокоэнергетические заряженные частицы от солнца ударяются о поверхность Луны и передают энергию атомам. Это также заставляет эти атомы выбрасываться в экзосферу.

«На основании данных LADEE, похоже, что оба процесса играют свою роль. Например во время метеоритных дождей в атмосфере наблюдается больше атомов, что означает, что удары оказывают влияние. Но наблюдения также показали, что когда Луна закрыта от Солнца, например, во время затмения, в атомах атмосферы также происходят изменения, а это значит, что Солнце также оказывает влияние. Поэтому результаты не были чёткими или достоверными», — пояснил Ни.

Ударный кратер на Луне. Источник: NASA/GSFC

Ни и его коллеги хотели определить, какой процесс в первую очередь отвечает за поддержание атмосферы Луны. Для этого они изучили лунный грунт, собранный во время миссий Apollo. Команда располагала десятью образцам лунного грунта, каждый из которых весил всего 100 миллиграммов. Это количество настолько мало, что, по оценкам Ни, оно поместилось бы в одну каплю дождя.

Исследователи приступили к выделению двух элементов в этих образцах: калия и рубидия. Оба элемента являются летучими, то есть они легко испаряются как при ударах метеоритов, так и при распылении, вызванном бомбардировкой солнечным ветром. Изучив соотношения изотопов в образцах лунного грунта, команда обнаружила, что они соответствуют соотношениям, которые можно было бы ожидать, если бы атмосфера Луны поддерживалась в основном ударным испарением.

«Мы обнаружили, что изотопные сигнатуры калия и рубидия в лунном грунте соответствуют тому, что мы ожидали бы увидеть, если бы атмосфера Луны поддерживалась в основном ударным испарением. Это говорит о том, что удары метеоритов являются основным источником стабильности экзосферы Луны», — сказал Ни.

Это исследование помогает лучше понять историю и эволюцию Луны, а также может иметь значение для будущих миссий на Луну и другие тела Солнечной системы.