هنگامی که فضانوردان آپولو بین سالهای ۱۹۶۹ تا ۱۹۷۲ سطح ماه را کاوش کردند، چندین آزمایش علمی را برای اندازهگیری میدان مغناطیسی، فعالیتهای لرزهای و شرایط محیطی ماه بر جای گذاشتند. هر ماموریت همچنین نمونههایی از سنگ و خاک ماه (رگولیت) را به زمین بازگرداند که تجزیه و تحلیل آنها اطلاعات ارزشمندی درباره ترکیبات شیمیایی ماه فراهم کرد. برای مثال، بررسی این سنگها نشان داد که زمین و ماه از نظر ساختار و ترکیب شیمیایی شباهتهای زیادی دارند. این یافتهها به فرضیهای پرکشش منجر شد که میگوید ماه حدود ۴.۵ میلیارد سال پیش در نتیجه برخورد یک جرم به اندازه مریخ (به نام تیا) با زمین اولیه شکل گرفته است (فرضیه برخورد عظیم).
این برخورد هر دو جرم را به سنگهای مذاب تبدیل کرد که بهتدریج به هم پیوستند و سامانه زمین-ماه را تشکیل دادند و در نهایت در مدارهای کنونی خود قرار گرفتند. با این حال، یکی از نمونههای سنگی که توسط ماموریت آپولو ۱۷ به زمین آورده شده بود، بهدقت مهر و موم و ذخیره شد تا در آینده با ابزارهای پیشرفتهتر مورد بررسی قرار گیرد و اکتشافات جدیدی را ممکن سازد. در پژوهشی جدید، تیمی از دانشگاه براون برای اولین بار به بررسی این نمونهها پرداخته و بهطور شگفتانگیزی ردپایی از ترکیبات گوگردی یافتند که به شدت از ایزوتوپ پایدار گوگرد-۳۳ (33S) تهی شده بودند.
پیشینه پژوهش و تیم تحقیقاتی
این پژوهش توسط جیمز داتین سوم، استادیار دپارتمان علوم زمین، محیطزیست و سیارهای دانشگاه براون، رهبری شد. او با پشتیبانی برنامه لونااسکوپ (Lunar Structure, Composition and Processes for Exploration)، کنسرسیوم تحقیقات علوم قمری دانشگاه براون، این پروژه را پیش برد. تیم او با همکاری پژوهشگرانی از موسسه شهابسنگشناسی (IOM) دانشگاه نیومکزیکو و موسسه اقیانوسشناسی وودز هول (WHOI) کار کرد. نتایج این پژوهش در مقالهای در ژورنال تحقیقات ژئوفیزیکی: سیارات (JGR: Planets) منتشر شده است.
اهمیت ایزوتوپها در تحلیل سنگها
زمینشناسان هنگام بررسی نمونههای سنگی به دنبال تغییرات ظریف در وزن برخی عناصر هستند که به آن نسبتهای ایزوتوپی میگویند. وقتی دو نمونه نسبتهای ایزوتوپی یکسانی داشته باشند، این نشانه قویای است که منشأ مشترکی دارند. بررسی نمونههای سنگی آپولو نشان داده که این سنگها شباهتهای گستردهای با سنگهای زمینی دارند، از جمله در عناصری مانند سیلیکا، آهن و ایزوتوپهای اکسیژن. به گفته داتین در بیانیه مطبوعاتی دانشگاه براون، پیش از این تصور میشد که ترکیب ایزوتوپهای گوگرد در گوشته ماه مشابه زمین باشد. او توضیح داد:
انتظار داشتم هنگام تجزیه و تحلیل این نمونهها، همان ترکیب ایزوتوپهای گوگرد زمین را ببینم، اما در عوض مقادیری را مشاهده کردیم که بسیار متفاوت از هر چیزی است که روی زمین یافت میشود.
نمونههای آپولو ۱۷ و روش تجزیه و تحلیل
نمونههایی که داتین و تیمش بررسی کردند، از یک لوله دوگانه جمعآوری شده بودند؛ یک استوانه فلزی توخالی که توسط فضانوردان آپولو ۱۷، جین سرنان و هریسون اشمیت، در سال ۱۹۷۲ از منطقه تاروس لیتور ماه جمعآوری شد. برخلاف نمونههای دیگری که دههها مورد مطالعه قرار گرفتهاند، این لوله در یک محفظه هلیومی مهر و موم شده بود تا برای تجزیه و تحلیلهای آینده در برنامهای به نام تحلیل نمونه نسل بعدی آپولو (ANGSA) نگهداری شود. داتین و چند تن از نویسندگان همکار این پژوهش از اعضای این برنامه هستند. این نمونهها چند سال پیش باز شدند و از طریق یک فرآیند رقابتی برای تحلیل در اختیار موسسات دانشگاهی قرار گرفتند.
داتین و تیمش در درخواست خود پیشنهاد کردند که ایزوتوپهای گوگرد در نمونههای آپولو ۱۷ را با استفاده از طیفسنجی جرمی یونی ثانویه بررسی کنند. این روش، نوعی تحلیل سطحی است که از یک پرتو یونی برای فرسایش مواد استفاده میکند و یونهای ثانویهای تولید میکند که با طیفسنج جرمی تحلیل میشوند. این روش بسیار دقیق است و تیم داتین از آن برای بررسی نمونههای خاصی از لوله دوگانه استفاده کرد که به نظر میرسید سنگهای آتشفشانی ناشی از گوشته ماه باشند. بهطور شگفتانگیزی، آنها دریافتند که نسبتهای ایزوتوپ گوگرد-۳۳ در این نمونهها بهطور چشمگیری با نمونههای زمینی متفاوت است.
دو احتمال برای توضیح نتایج
این نتایج دو احتمال را مطرح کردند. نخست، ایزوتوپهای گوگرد تهیشده ممکن است نتیجه تعامل گوگرد با تابش فرابنفش در زمانی باشد که ماه جو نازک و موقتی داشته است. این با واقعیت زمینشناختی ماه در میلیاردها سال پیش سازگار است، زمانی که ماه از نظر زمینشناختی فعال بود (همانطور که از وجود ریلهای مارپیچ و دشتهای بازالتی مشخص است) و گازهای آتشفشانی منتشر میکرد. دوم، این تهیشدگی شیمیایی ممکن است بقایایی از برخورد با تیا باشد که ۴.۵ میلیارد سال پیش به تشکیل ماه منجر شد. داتین در اینباره گفت:
من به دنبال گوگردی بودم که بافتی داشته باشد که نشان دهد همراه با سنگ فوران کرده و از طریق فرآیند دیگری به آن اضافه نشده است. اولین فکرم این بود: «وای، این نمیتواند درست باشد.» بنابراین دوباره بررسی کردیم تا مطمئن شویم همه چیز را درست انجام دادهایم، و درست بود. این نتایج واقعاً شگفتانگیز هستند. این میتواند نشانهای از تبادل مواد باستانی از سطح ماه به گوشته باشد. روی زمین، ما تکتونیک صفحهای داریم که این کار را انجام میدهد، اما ماه تکتونیک صفحهای ندارد. بنابراین، این ایده از نوعی مکانیسم تبادل در ماه اولیه بسیار هیجانانگیز است.
گامهای بعدی و اهمیت پژوهش
اگرچه هنوز مشخص نیست که کدامیک از این احتمالات درست است، داتین و همکارانش امیدوارند که مطالعات مشابه با تمرکز بر ایزوتوپهای گوگرد در سایر اجسام (از جمله مریخ) پاسخی ارائه دهد. توزیع نسبتهای ایزوتوپی در اجسام مختلف در نهایت نشان خواهد داد که چگونه عناصر در منظومه شمسی اولیه پخش شدهاند و بدین ترتیب چگونگی تشکیل و تکامل آن را روشن میکند.
این کشف نهتنها درک ما از تاریخچه ماه را عمیقتر میکند، بلکه پرسشهای جدیدی را درباره فرآیندهای شیمیایی و زمینشناختی در منظومه شمسی اولیه مطرح میکند. با پیشرفت ابزارهای تجزیه و تحلیل و دسترسی به نمونههای مهر و موم شده مانند اینها، احتمالاً اکتشافات بیشتری در انتظار است. این پژوهش نمونهای برجسته از این است که چگونه فناوریهای مدرن میتوانند اسرار گذشته را باز کنند و دیدگاههای جدیدی درباره منشأ ماه و منظومه شمسی ارائه دهند.