Одно маленькое зерно лунной пыли, один гигантский прыжок для изучения Луны

В 1972 году астронавты «Аполлона-17» доставили на Землю образцы лунного грунта, чтобы ученые могли продолжить их изучение в своих лабораториях. Поскольку люди не возвращались на Луну почти 50 лет, бесценна каждая сохранившаяся частица. В исследовании, опубликованном в Meteoritics & Planetary Science, ученые предлагают способ анализа химического состава оставшихся образцов с использованием одной крупицы пыли. Их техника позволит больше узнать об условиях, царящих на поверхности спутника Земли.

«Мы впервые изучили лунный образец атом за атомом. Многие геологи даже не знают о таком методе», – рассказала Дженника Грир, ведущий автор исследования из Музея естественной истории им. Филда в Чикаго (США).

Предлагаемая методика называется атомно-зондовой томографией (Atom Probe Tomography, APT) и обычно применяется в области материаловедения и промышленности, в частности, производстве стали и нанопроволоки. Метод обладает беспрецедентно высокой чувствительностью при минимальном расходе материала, что делает его хорошим кандидатом для изучения лунных образцов.

Миссия «Аполлона-17» доставила на Землю 111 килограммов лунных камней, что совсем немного для лабораторных опытов, и, как пишут авторы работы, мы обязаны исследовать их с умом. Анализ Дженники Грир потребовал только одну крупицу грунта диаметром с человеческий волос и идентифицировал в ней продукты космического выветривания, чистое железо, воду и гелий, которые образовались в результате взаимодействия поверхности спутника с космической средой.

При изучении крошечного зерна, Дженника Грир использовала сфокусированный пучок заряженных атомов, чтобы вырезать сверхострый наконечник на его поверхности. Ширина этого наконечника составляла всего несколько сотен атомов – для сравнения, лист бумаги имеет толщину в сотни тысяч атомов.

Как только образец оказался внутри атомного зонда в Северо-Западном университете (США), ученые ударили по нему лазером, чтобы выбить атомы один за другим. Когда атомы вылетели из образца, они с разной скоростью попадали в пластину детектора. Более тяжелые элементы, такие как железо, достигали детектора дольше, чем более легкие элементы, например, водород. Измеряя время между лазерным включением и ударом частицы по детектору, прибор определял тип атома и его заряд. Наконец, исследователи реконструировали данные, создав наноразмерную трехмерную карту лунной пыли.

Хотя метод APT хорошо известен в материаловедении, никто еще не пытался использовать его для анализа ценных космических образцов.

«Сейчас у нас есть по-настоящему захватывающие миссии, «Hayabusa2» и OSIRIS-REx, которые скоро вернутся на Землю с зернами астероидов. Наш метод обязательно должен быть применен к их образцам, потому что он использует так мало материала, но предоставляет так много информации», – заявили авторы исследования.

Изучение лунного грунта дает ученым понимание важной силы в нашей Солнечной системе: космического выветривания. Космос – это суровая среда с потоками частиц, исходящими от Солнца, и излучением в форме солнечной и космической радиации. В то время как атмосфера Земли защищает нас от космического выветривания, другие тела, такие как Луна и астероиды, не имеют атмосферы. В результате грунт на поверхности Луны претерпел изменения, что делает его принципиально отличающимся от породы в недрах спутника. Понимая виды процессов, которые определяют эти различия, планетологи могут более точно предсказать, что скрывается под поверхностью Луны и астероидов, откуда мы вряд ли сможем получить образцы в обозримом будущем.

«Пятьдесят лет назад никто не ожидал, что для анализа лунной породы когда-нибудь будет достаточно крошечной крупицы. Тысячи таких зерен могли застрять в перчатках астронавтов, а их было бы достаточно для крупного исследования. Мы считаем крайне необходимыми миссии с возвратом на Землю физических образцов, ведь ландшафты Солнечной системы так разнообразны!» – заключили авторы статьи.