Skały zebrane z powierzchni księżyca przez astronautów Apollo 17 ujawniają jego prawdziwy wiek

Geolog i astronauta Harrison Schmitt używający regulującej się łopatki do pobrania próbek księżycowych podczas misji Apollo 17 w 1972 roku. (Źródło: NASA)

Po lądowaniu na księżycu 11 grudnia 1972 roku astronauci NASA Eugene Cernan i Harrison Schmitt zebrali próbki skał i pyłu z powierzchni księżycowej. Nowa analiza pobranych próbek wykryła obecność kryształów cyrkonu, które datują 4,46 miliardów lat wstecz. Jednak wcześniej wiek księżyca, uformowanego przez olbrzymie kolizje ciał niebieskich, szacowano na 4,425 miliardów lat.

Odkrycia opublikowano w poniedziałek w czasopiśmie „Geochemical Perspectives Letters”.

„Te kryształy są najstarszymi znanymi ciałami stałymi, które powstały po wielkim zderzeniu. Służą więc jako punkt odniesienia w chronologii księżycowej,” wypowiada się naczelny autor badania Philipp Heck, kustosz Meteorytyki i Studiów Polarnych w Muzeum Historii Naturalnej w Chicago.

We wczesnych dniach naszego układu słonecznego — gdy Ziemia wciąż formowała się i powiększała — chaos był powszechnym zjawiskiem. Obiekty skaliste często kolidowały ze sobą w przestrzeni kosmicznej. Podczas tego okresu ponad 4 miliardy lat temu, obiekt wielkości Marsa uderzył w Ziemię, odrzucając duży skalny odłam, który według uczonych, z czasem uformował nasz księżyc. Jednak ustalenie dokładnej daty tego kluczowego wydarzenia sprawiało naukowcom wiele kłopotów.

Energia wygenerowana po uderzeniu tak wielkiego obiektu o Ziemię stopiła skałę, która z czasem utworzyła powierzchnię księżyca. 

„Gdy powierzchnia została w ten sposób stopiona, kryształy cyrkonu nie mogły się uformować i przetrwać. Więc jakiekolwiek kryształy znalezione na powierzchni księżyca musiały powstać po ostygnięciu magmy,” mówi Heck, który jest także starszym dyrektorem Centrum Badań Integracyjnych Negaunee i profesorem w departamencie nauk geofizycznych na Uniwersytecie w Chicago.

„W innym wypadku stopiłyby się, a ich sygnatury chemiczne zostałyby wymazane.”

Najnowocześniejsze analizy

Współautor odpowiedzialny za poprzednie badania Bidong Zhang, który jest asystentem badań w departamencie nauk planetarnych, kosmicznych i ziemskich na Uniwersytecie Kalifornijskim w Los Angeles, także zasugerował, że ustalenie wieku kryształów zawartych w pyle kosmicznym może ujawnić faktyczny wiek księżyca. 

Zhang i współautor Audrey Bouvier, profesor eksperymentalnej paleontologii na Uniwersytecie Bayreuth w Niemczech, wspólnie poprosili Hecka i naczelnego autora badania Jennike Greer, pracowniczkę naukową zajmującą się naukami o Ziemi na Uniwersytecie w Glasgow, aby rzucili okiem na kryształy używając zawansowanej technologii w celu odkrycia ich składu chemicznego, na podstawie czego możliwe byłoby ustalenie wieku księżyca.

Cząstka cyrkonu zebrana przez astronautów widziana przez mikroskop. (Źródło: Jennika Greer/Northwestern University)

Według naukowców te badania wyznaczają pierwsze użycie tomografii sondą atomową w celu ustalenia wieku kryształów. Badania możliwe były dzięki narzędziom dostępnym w Północnozachodnim Uniwersytecie w Evanston, Illinois.

„Podczas tomografii sondą atomową, zaczynamy od naostrzenia cząstki próbki księżycowej tak, aby kształtem przypominała bardzo ostry szpic. Używamy w tym celu skupionej wiązki wytwarzanej przez mikroskop jonowy. Jest to prawie jak użycie bardzo wymyślnej temperówki”, mówi Greer, która w trakcie badań była doktorantem w Muzeum Historii Naturalnej i Uniwersytecie w Chicago. „Następnie używamy laserów UV do odparowania atomów z powierzchni tej ostrej końcówki. Prędkość z jaką atomy podróżują przez spektrograf masowy pozwala nam stwierdzić ich ciężkość. To z kolei pozwala nam odkryć z czego się składają.”

Analiza pokazuje ile atomów uranu w kryształach cyrkonu przeszło przez rozpad radioaktywny. Elementy mogą przechodzić transformacje, jeśli ich atomy zawierają niestabilne konfiguracje protonów i neutronów, co jest przyczyną ich rozpadu — podobnie jak uran, który po rozpadzie staje się ołowiem. Poprzez śledzenie czasu procesu rozpadu naukowcy są w stanie ustalić wiek czegokolwiek porównując proporcje atomów uranu i ołowiu.

„Datowanie radiometryczne działa nieco jak klepsydra,” wyjaśnia Heck. „W klepsydrze piasek przesypuje się z jednej komory do drugiej. Jego ilość w dolnej części świadczy o upływie czasu. Datowanie radiometryczne działa podobnie. Opiera się ono na liczeniu ilości pierwiastków macierzystych i potomnych. Upływ czasu może zostać wtedy obliczony, ponieważ znana jest szybkość przemiany.”

Najstarsza cząstka księżyca 

Zespól badawczy posłużył się ilością izotopów ołowiu wewnątrz próbki pyłu księżycowego, aby określić wiek kryształów na 4,46 miliardów lat. Równoznacznie stwierdzając, że czas istnienia księżyca musi wynosić nie mniej niż powyższe wyliczenia.

„To wspaniale być w stanie udowodnić, że trzymana przez ciebie skala jest najstarszą częścią księżyca jaką do tej pory odkryliśmy,” mówi Greer. „To punkt wyjściowy dla wielu pytań związanych z naszą planetą. Gdy znasz wiek jakiegokolwiek obiektu, jesteś w stanie lepiej zrozumieć co się z nim działo na przestrzeni jego historii.”

Naczelna autorka badań Jennika Greer, pracowniczka w dziedzinie nauk o ziemi na Uniwersytecie w Glasgow, pracująca w Północnozachodnim Centrum Uniwersytetu w Evanston, Illinois. (Źródło: Dieter Isheim/Northwestern University)

Naczelna autorka badań Jennika Greer, pracowniczka w dziedzinie nauk o ziemi na Uniwersytecie w Glasgow, pracująca w Północnozachodnim Centrum Uniwersytetu w Evanston, Illinois. (Źródło: Dieter Isheim/Northwestern University)

Pomimo tego, że próbki trafiły w ręce naukowców ponad 50 lat temu wynalezienie technologii potrzebnej do przeprowadzenia tak wnikliwej analizy kryształów zajęło wiele czasu. Właśnie dlatego NASA czekało z rozpieczętowaniem próbek nietkniętych od czasów pamiętnej misji Apollo, pozwalając na bardziej dogłębną analizę naszego naturalnego satelity dzięki najbardziej zaawansowanym metodom.

„Księżyc jest ważnym partnerem w naszym układzie planetarnym,” wypowiada się Heck. „Stabilizuje oś obrotu Ziemi. Jest powodem dla którego ziemski dzień trwa 24 godziny. Dzięki niemu na naszej planecie występują pływy morskie i oceaniczne. Bez księżyca życie na ziemi wyglądałoby inaczej. Jest częścią naszego systemu przyrodniczego, który pragniemy lepiej zrozumieć. Nasze badania dokładają jeden malutki kawałek do całej układanki.”