سرانجام راز منبع جو ماه را کشف کردیم

به راحتی می توان ماه را به عنوان یک قطعه سنگ بدون جو در حال چرخش به دور زمین تصور کرد. با این حال، در حالی که فاقد هوای قابل تنفس است، ماهواره طبیعی وفادار سیاره ما جوی رقیق دارد.

دانشمندان مدت‌هاست که در مورد وجود این جو ضعیف یا «اگزوسفر» گیج شده‌اند و به دنبال فرآیند اصلی حفظ آن بوده‌اند. اما تحقیقات جدید نشان می‌دهد که این جو ضعیف ماه یا «اگزوسفر» به خاطر تجدید و دوباره‌سازی ناشی از بمباران شدید صخره‌های فضایی روی ماه وجود دارد.

تیم تحقیقاتی نشان می دهد که جو ماه عمدتاً پایدار است و میلیاردها سال است که این حمله باعث ایجاد پدیده ای به نام ‘تبخیر ضربه ای’ شده است. این فرآیند زمانی اتفاق می‌افتد که ضربه‌ها خاک ماه را بالا می‌برند و موادی را که یا به فضا می‌روند یا روی ماه معلق می‌مانند تبخیر می‌کنند و در نتیجه اگزوسفر آن را تجدید می‌کنند.

نیکول نی، سرپرست تیم، استادیار موسسه فناوری ماساچوست (MIT) در بیانیه‌ای گفت: ما پاسخ قطعی می‌دهیم که تبخیر برخورد شهاب‌سنگ فرآیند غالبی است که جو ماه را ایجاد می‌کند. ماه نزدیک به ۴.۵ میلیارد سال سن دارد و در آن زمان، سطح به طور مداوم توسط شهاب‌سنگ‌ها بمباران شده است. ما نشان می‌دهیم که در نهایت، یک جو نازک به حالت ثابت می‌رسد، زیرا به طور مداوم توسط برخوردهای کوچک در سراسر ماه دوباره پر می‌شود.

تاریخچه خشونت در ماه: نگاهی به ریشه‌ها و پیامدها

سطح حفره دار و زخمی ماه یادآور زمین شناسی واضح و آشکاری است که در طول تاریخ نزدیک به ۴.۵ میلیارد ساله خود با سنگ های فضایی پر شده است.

در اوایل زندگی ماه، منظومه شمسی نوزاد خشن و متلاطم بود. در نتیجه، سطح ماه بارها مورد اصابت شهاب سنگ های عظیم قرار می گرفت. با گذشت زمان، برخورد بین اجسام منظومه شمسی، سنگ‌های فضایی بزرگ‌تری را به زمین انداخت. این بدان معناست که با پیر شدن ماه، بمباران ادامه یافت، اما مهاجمان به «ریز شهاب‌سنگ‌ها» کوچک‌تر شدند، ذراتی از فضا که کوچک‌تر از یک دانه شن هستند. با این حال، این تاثیرات کمتر چشمگیر هنوز برای اجازه دادن به تبخیر ضربه ادامه پیدا کرده و به طور مداوم جو ماه را دوباره پر می کند.

زمانی که کاوشگر محیط اتمسفر و غبار ماه ناسا (LADEE) جو نازک ماه، شرایط سطحی و تأثیرات محیطی بر غبار ماه را بررسی کرد، دانشمندان ابتدا به این مشکوک شدند که برخورد سنگ‌های فضایی به ماه تا حدی مسئول تولید اگزوسفر بوده است. این تحقیقات در سال ۲۰۱۳ انجام شد.

این امر باعث شد تا آنها دو فرآیند بازسازی اگزوسفر را برجسته کنند. اولی تبخیر ضربه ای بود و دیگری «کندوپاش یون». این فرآیند دوم زمانی اتفاق می‌افتد که ذرات باردار پرانرژی خورشید، معروف به ‘باد خورشیدی’ به سطح ماه برخورد کرده و به اتم‌ها انرژی می‌دهند. این همچنین باعث می شود که آن اتم ها به اگزوسفر پرتاب شوند.

نی توضیح داد: بر اساس داده‌های LADEE، به نظر می‌رسد که هر دو فرآیند نقش دارند. به عنوان مثال، نشان داد که در هنگام بارش شهاب‌سنگ، اتم‌های بیشتری را در جو می‌بینید، به این معنی که برخوردها تأثیر دارند.

اما همچنین نشان داد که وقتی ماه از خورشید محافظت می‌شود، مثلاً در هنگام خسوف، تغییراتی در اتم‌های جو نیز رخ می‌دهد، به این معنی که خورشید نیز تأثیر می‌گذارد. بنابراین، نتایج واضح یا کمی نبود.

نی و همکارانش می خواستند تعیین کنند که کدام فرآیند مسئول اصلی حفظ جو ماه است. برای انجام این کار، آنها به خاک ماه جمع آوری شده در طول ماموریت های آپولو ناسا روی آوردند.

پاسخ‌ها در خاک است: جستجوی حکمت در طبیعت

این تیم توانست ۱۰ نمونه خاک ماه را لمس کند که هر کدام تنها ۱۰۰ میلی گرم بود. این مقدار آنقدر ناچیز است که نی تخمین زد که در یک قطره باران جا می شود.

محققان تصمیم گرفتند دو عنصر را در این نمونه ها جدا کنند: پتاسیم و روبیدیم. هر دو عنصر ‘فرار’ هستند، به این معنی که آنها به راحتی توسط هر دو برخورد شهاب سنگ و توسط کندوپاش خورشیدی ناشی از بمباران باد خورشیدی تبخیر می شوند.

تیم می خواست نسبت ‘ایزوتوپ’ های مختلف پتاسیم و روبیدیم را ببیند. ایزوتوپ تغییری از عنصری است که تعداد نوترون های متفاوتی در هسته اتمی خود دارد. این بدان معناست که ایزوتوپ‌های با نوترون‌های بیشتر (تعداد پروتون‌ها در هنگام تغییر عنصر به عنصر دیگر نمی‌تواند تغییر کند) سنگین‌تر از ایزوتوپ‌هایی هستند که تعداد آنها کمتر است.

این تیم پیش‌بینی کرد که ایزوتوپ‌های سبک پتاسیم و روبیدیم به احتمال زیاد در اگزوسفر ماه معلق خواهند بود در حالی که ایزوتوپ‌های سنگین‌تر به سطح ماه برمی‌گردند. با این حال، تبخیر ضربه و کندوپاش یونی باید اثربخشی متفاوتی در قرار دادن ایزوتوپ‌ها در جو ماه داشته باشند. این بدان معناست که با نگاه کردن به مقدار ایزوتوپ‌های سنگین این دو عنصر در خاک ماه و مقایسه آن با مقدار ایزوتوپ‌های سبک‌تر در نمونه‌ها، مشخص می‌شود که کدام یک از این دو فرآیند غالب‌تر است.

نی گفت: ‘با تبخیر ضربه ای، بیشتر اتم ها در جو ماه می مانند، در حالی که با کندوپاش یونی، اتم های زیادی به فضا پرتاب می شوند.’

نی و همکارانش دریافتند که خاک ها عمدتاً حاوی ایزوتوپ های سنگین پتاسیم و روبیدیم هستند. این به آنها گفت که تبخیر ضربه ای فرآیند غالبی است که توسط آن اتم ها تبخیر می شوند و برای تشکیل جو ماه بالا می روند. آنها دریافتند که ۷۰ درصد از اگزوسفر در اثر برخورد شهاب‌سنگ و تبخیر ضربه ایجاد شده است که ۳۰ درصد آن به بادهای خورشیدی و کندوپاش یونی اختصاص دارد.

جاستین هو، محقق خاک های قمری در دانشگاه کمبریج که در این مطالعه شرکت نداشت، گفت: ‘کشف چنین اثر ظریفی به لطف ایده نوآورانه ترکیب اندازه گیری های ایزوتوپ پتاسیم و روبیدیم همراه با مدل سازی کمی دقیق قابل توجه است.’ . این کشف فراتر از درک تاریخچه ماه است، زیرا چنین فرآیندهایی ممکن است رخ دهد و ممکن است در سایر قمرها و سیارک‌ها که کانون بسیاری از مأموریت‌های بازگشت برنامه‌ریزی‌شده هستند، مهم‌تر باشد.

نی نیز تصدیق می کند که اگر برنامه آپولو نبود که با آپولو ۱۷ در دسامبر ۱۹۷۲ به پایان رسید، یافته های تیم به سادگی قابل دستیابی نبود.

نی نتیجه گرفت: «بدون این نمونه‌های آپولو، ما نمی‌توانیم داده‌های دقیق و اندازه‌گیری کمی برای درک جزئیات بیشتر به دست آوریم.» برای ما مهم است که نمونه‌هایی را از ماه و دیگر اجرام سیاره‌ای بازگردانیم تا بتوانیم تصاویر واضح‌تری از شکل‌گیری و تکامل منظومه شمسی ترسیم کنیم. تحقیقات این تیم روز جمعه (۱۲ مرداد ۱۴۰۳) در مجله Science Advances منتشر شد.