«Мы анализируем горные породы из космоса, атом за атомом», – говорит Дженника Грир, первый автор статьи и аспирант Филдского музея и Чикагского университета. "Это первый раз, когда лунный образец изучается подобным образом. Мы используем технику, о которой многие геологи даже не слышали.
«Мы можем применить эту технику к образцам, которые никто не изучал», – добавляет Филипп Хек, куратор Полевого музея, доцент Чикагского университета и соавтор статьи. "Вы почти гарантированно найдете что-то новое или неожиданное.
Этот метод обладает такой высокой чувствительностью и разрешением, что вы можете найти то, что иначе не нашли бы, и израсходовали лишь небольшую часть образца."
Этот метод называется атомно-зондовой томографией (APT), и он обычно используется учеными-материаловедами, работающими над улучшением промышленных процессов, таких как производство стали и нанопроволок.
Но его способность анализировать крошечные объемы материалов делает его хорошим кандидатом для изучения лунных образцов. Образец Аполлона-17 содержит 111 килограммов (245 фунтов) лунных камней и почвы – грандиозная схема вещей, не очень много, поэтому исследователи должны использовать ее с умом. Для анализа Грира потребовалось всего одно зернышко почвы шириной с человеческий волос. В этом крошечном зернышке она определила продукты космического выветривания, чистое железо, воду и гелий, которые образовались в результате взаимодействия лунного грунта с космической средой.
Извлечение этих драгоценных ресурсов из лунной почвы может помочь будущим астронавтам продолжить свою деятельность на Луне.
Чтобы изучить крошечное зерно, Грир использовал сфокусированный пучок заряженных атомов, чтобы вырезать крошечный сверхострый наконечник на его поверхности.
Этот наконечник был всего в несколько сотен атомов в ширину – для сравнения, лист бумаги имеет толщину в сотни тысяч атомов. «Мы можем использовать выражение« наноструктура », – говорит Филипп Хек. "Как плотник лепит дерево, мы делаем это в наномасштабе до минералов."
Как только образец оказался внутри атомного зонда в Северо-Западном университете, Грир поразил его лазером, чтобы сбивать атомы один за другим.
Когда атомы вылетели из образца, они попали в детекторную пластину. Более тяжелым элементам, таким как железо, требуется больше времени, чтобы добраться до детектора, чем более легким элементам, таким как водород. Измеряя время между срабатыванием лазера и попаданием атома в детектор, прибор может определить тип атома в этой позиции и его заряд.
Наконец, Грир реконструировал данные в трех измерениях, используя точки с цветовой кодировкой для каждого атома и молекулы, чтобы создать наноразмерную трехмерную карту лунной пыли.
Впервые ученые могут увидеть и тип атомов, и их точное местоположение в частичке лунного грунта. Хотя APT – хорошо известный метод в материаловедении, никто раньше не пробовал использовать его для лунных образцов. Грир и Хек призывают других космохимиков попробовать это. «Он отлично подходит для исчерпывающей характеристики небольших объемов драгоценных образцов», – говорит Грир. "У нас есть эти действительно захватывающие миссии, такие как Hayabusa2 и OSIRIS-REx, которые скоро возвращаются на Землю – беспилотные космические корабли, собирающие крошечные кусочки астероидов.
Это метод, который обязательно следует применять к тому, что они приносят, потому что он использует так мало материала, но предоставляет так много информации."
Изучение почвы с поверхности Луны дает ученым возможность понять важную силу в нашей Солнечной системе: космическое выветривание. Космос – суровая среда с крошечными метеоритами, потоками частиц, исходящих от Солнца, и радиацией в виде солнечных и космических лучей.
В то время как атмосфера Земли защищает нас от космического выветривания, другие тела, такие как Луна и астероиды, не имеют атмосферы. В результате почва на поверхности Луны претерпела изменения, вызванные космическим выветриванием, что существенно отличает ее от породы, из которой состоит остальная часть Луны.
Это похоже на рожок мороженого в шоколаде: внешняя поверхность не совпадает с внутренней. С помощью APT ученые могут искать различия между поверхностями, подвергшимися космическому выветриванию, и неэкспонированной лунной грязью так, как это не может сделать ни один другой метод. Понимая виды процессов, которые вызывают эти различия, они могут более точно предсказать, что находится прямо под поверхностью лун и астероидов, которые находятся слишком далеко, чтобы доставить их на Землю.
Поскольку в исследовании Грир использовался наноразмерный наконечник, ее исходное зерно лунной пыли все еще доступно для будущих экспериментов.
Это означает, что новые поколения ученых могут делать новые открытия и предсказания на основе одного и того же драгоценного образца. «Пятьдесят лет назад никто не ожидал, что кто-то когда-нибудь будет анализировать образец с помощью этой техники, используя лишь крошечный кусочек одной зернистости», – заявляет Хек. «Тысячи таких зерен могли быть на перчатке космонавта, и этого было бы достаточно для большого исследования."
Грир и Хек подчеркивают необходимость миссий, в ходе которых астронавты приносят физические образцы из-за разнообразия местности в космическом пространстве. «Если вы анализируете космическое выветривание только из одного места на Луне, это все равно, что анализировать выветривание на Земле только в одном горном хребте», – говорит Грир. Нам нужно отправиться в другие места и объекты, чтобы понять космическое выветривание, точно так же, как нам нужно исследовать разные места на Земле, такие как песок в пустынях и обнажения горных хребтов на Земле."
Мы еще не знаем, какие сюрпризы нас ждет от космического выветривания. «Важно понимать эти материалы в лаборатории, чтобы мы понимали, что видим, когда смотрим в телескоп», – говорит Грир. "Благодаря чему-то вроде этого мы понимаем, что такое окружающая среда на Луне.
Это выходит за рамки того, что астронавты могут сказать нам, идя по Луне. Это маленькое зернышко хранит миллионы лет истории.
Результаты этого исследования убедили НАСА финансировать Полевой музей и команду Северо-Запада и коллег из Purdue в течение следующих трех лет для изучения различных типов лунной пыли с помощью APT для количественного определения ее содержания воды и изучения других аспектов космического выветривания.
Финансирование этой работы было предоставлено Фондом ТАВАНИ, Национальным научным фондом, Управлением военно-морских исследований, Северо-Западным университетом и Комитетом по финансированию науки и стипендий Полевого музея.