Вода на Місяці: NASA показало, як сонячний вітер може її створювати

Ідея про те, що Сонце може бути джерелом інгредієнтів для утворення води на Місяці, виникла у вчених ще в 1960-х роках. Гіпотеза полягала в тому, що постійний потік заряджених частинок від Сонця, відомий як сонячний вітер, бомбардуючи місячну поверхню, запускає хімічні реакції, здатні продукувати молекули води. Тепер, у найбільш реалістичній на сьогодні лабораторній симуляції цього процесу, дослідники під керівництвом NASA підтвердили це давнє припущення, відкриваючи нові перспективи для майбутнього освоєння нашого природного супутника.

Результати дослідження, опубліковані у фаховому виданні Journal of Geophysical Research: Planets, мають пряме відношення до планів NASA щодо програми Artemis та створення баз для астронавтів на Південному полюсі Місяця. Вода є критично важливим ресурсом для тривалого перебування людини поза Землею — як для пиття, так і для виробництва ракетного палива (шляхом розщеплення на водень та кисень). Вважається, що значна частина місячної води зосереджена у вигляді льоду в постійно затінених кратерах на полюсах. Однак нове дослідження показує, що вода може утворюватися й безпосередньо на освітленій Сонцем поверхні.

«Найцікавіше тут те, що маючи лише місячний ґрунт і базовий інгредієнт від Сонця, яке постійно „випльовує“ водень, існує можливість створення води», — коментує Лі Хсіа Йео, науковий співробітник Центру космічних польотів імені Годдарда NASA в Грінбелті, штат Меріленд, яка очолювала дослідження. «Це неймовірно уявити».

Сонячний вітер — це потік, що невпинно витікає з Сонця, складаючись переважно з протонів (ядер атомів водню, що втратили свої електрони) та електронів. Рухаючись із шаленою швидкістю понад 1,6 мільйона кілометрів на годину, він омиває всю Сонячну систему. На Землі ми бачимо його прояви у вигляді захопливих полярних сяйв, коли частинки сонячного вітру взаємодіють з нашою атмосферою. Більшість цих частинок не досягає поверхні Землі завдяки захисному магнітному полю та щільній атмосфері. Однак Місяць позбавлений такого захисту.

Як показували попередні комп'ютерні моделі та лабораторні експерименти, коли протони сонячного вітру врізаються в місячну поверхню, що складається з пилу та уламків гірських порід (реголіту), вони стикаються з електронами і рекомбінують, утворюючи атоми водню. Ці новоутворені атоми водню здатні мігрувати крізь поверхневий шар реголіту і з'єднуватися з атомами кисню, які є у великій кількості в складі місячних мінералів, таких як кремнезем (діоксид кремнію). В результаті цієї реакції утворюються молекули гідроксилу (OH) — компонента води, а також безпосередньо молекули води (H₂O).

Вчені вже знаходили докази присутності як гідроксилу, так і води у верхньому шарі місячної поверхні, на глибині всього кількох міліметрів. Ці молекули залишають своєрідний хімічний «відбиток пальця» — помітне падіння (провал) на хвилястій лінії графіка, який показує, як світло взаємодіє з реголітом. Проте за допомогою наявних інструментів дистанційного зондування важко точно розрізнити сигнали від гідроксилу та води, тому вчені часто використовують термін «вода» для позначення або однієї з цих молекул, або їхньої суміші.

Багато дослідників вважали, що саме сонячний вітер є основною причиною наявності цих молекул на Місяці, хоча інші джерела, такі як удари мікрометеоритів, також могли б сприяти цьому процесу, генеруючи тепло та запускаючи хімічні реакції. Вимірювання, зроблені космічними апаратами, вже натякали на те, що сонячний вітер є головним рушієм утворення води або її компонентів на місячній поверхні. Одним із ключових доказів, який тепер підтверджено експериментом команди Йео, є зміна спектрального сигналу, пов'язаного з водою, протягом місячного дня. У деяких регіонах цей сигнал сильніший прохолодним ранком і слабшає в міру нагрівання поверхні протягом дня, ймовірно, через те, що молекули води та водню переміщуються або випаровуються в космос. Коли поверхня знову охолоджується вночі, сигнал знову посилюється. Такий добовий цикл вказує на наявність активного джерела — найімовірніше, сонячного вітру — яке щодня поповнює невеликі запаси води на Місяці.

Щоб перевірити цю гіпотезу експериментально, Йео та її колега Джейсон Маклейн, також науковий співробітник NASA Goddard, створили унікальну установку для дослідження зразків місячного ґрунту, доставлених місією «Аполлон-17» у 1972 році. Вперше всі компоненти експерименту були розміщені всередині однієї системи: пристрій для генерації пучка частинок, що імітує сонячний вітер, безповітряна камера, що відтворює умови місячного вакууму, та детектор молекул (спектрометр). Ця інноваційна конструкція дозволила дослідникам уникнути необхідності виймати зразок з камери під час експерименту — як це робилося раніше — і тим самим усунути ризик його забруднення вологою з земного повітря.

«Знадобилося багато часу та численних ітерацій, щоб розробити компоненти установки та змусити їх усі вміститися всередині», — розповів Маклейн. «Але це було того варте, тому що, усунувши всі можливі джерела забруднення, ми дізналися, що ця ідея про сонячний вітер, якій вже кілька десятиліть, виявляється правдивою».

Використовуючи пил з двох різних зразків місячного реголіту, зібраних астронавтами «Аполлона-17», Йео та її колеги спочатку «пропекли» зразки, щоб видалити будь-яку можливу воду, яку вони могли абсорбувати під час зберігання в герметичних контейнерах у кураторському центрі космічних зразків NASA в Космічному центрі імені Джонсона в Х'юстоні та під час транспортування до лабораторії Годдарда. Потім вони використали мініатюрний прискорювач частинок, щоб бомбардувати пил імітованим сонячним вітром протягом кількох днів. З огляду на високу дозу використаних частинок, це було еквівалентно приблизно 80 000 рокам перебування на Місяці під впливом реального сонячного вітру.

Для аналізу змін у хімічному складі зразків команда використовувала детектор під назвою спектрометр (Nicolet iS50 FTIR), який вимірював кількість світла, відбитого молекулами пилу на різних довжинах хвиль. З часом дослідники спостерігали поступове зниження сигналу відбитого світла точно в тій ділянці інфрачервоної області електромагнітного спектра — близько 3 мікрон — де молекули води та гідроксилу зазвичай поглинають енергію, залишаючи характерний «підпис».

Хоча вчені не можуть з абсолютною впевненістю стверджувати, що в їхньому експерименті утворилися саме молекули води (H₂O), а не лише гідроксил (OH), вони зазначають у своєму дослідженні, що форма та ширина провалу на отриманому спектральному графіку свідчать про те, що в місячних зразках утворилися як гідроксил, так і вода.

Це експериментальне підтвердження відкриває шлях до кращого розуміння водного циклу на Місяці та оцінки потенціалу in-situ (на місці) виробництва води з місцевих ресурсів за допомогою сонячного водню — ключового елемента для забезпечення сталого перебування людини на Місяці та подальшого освоєння Сонячної системи.