Łupy Apollo

Zanim wysłane zostały statki kosmiczne i ludzie na Księżyc, nasza znajomość naturalnego satelity Ziemi była w znacznym stopniu spekulatywna, oparta na ograniczonych obserwacjach, które mogą być wykonane z Ziemi.
Obserwacje te sugerowały, że powierzchnia Księżyca jest bardzo stara, ponieważ występują na niej gęsto kratery uderzeniowe, których nagromadzenie w takiej liczbie musiało zająć miliardy lat. Gdy ostatecznie człowiek wylądował na Księżycu, podejrzenia okazały potwierdzone. Po dostarczeniu skał księżycowych na Ziemię geochemicy, dokonawszy ich analizy pod kątem izotopów pierwiastków o dobrze znanych okresach połowicznego rozpadu, ustalili, że są one znacznie starsze od większości skał ziemskich - mają od 3 mld do 4,5 mld lat.
Wynoszący 4,5 mld lat wiek najstarszej z próbek przywiezionych z Księżyca jest zasadniczo taki sam, jak wiek samego Księżyca. Większość skał na Ziemi ma znacznie mniej niż 4 mld lat ze względu na nieustanną wymianę skał skorupy wskutek tektoniki płyt - proces, który nie występuje na Księżycu. Zatem próbki księżycowe stanowią nadzwyczaj cenny przykład pradawnych skał z okresu formowania się Układu Słonecznego. Mogą one nawet powiedzieć wiele o młodej Ziemi. Analizując brekcję z Apollo 14 (typ skały składający się ze scementowanych ze sobą fragmentów innych skał i minerałów), ustalili, że jeden z wchodzących w jej skład kawałków nie jest w ogóle skałą księżycową, lecz przypuszczalnie stanowi pierwszy znany przykład meteorytu ziemskiego - skały, która została wyrzucona z Ziemi cztery miliardy lat temu i następnie spadła na powierzchnię Księżyca. Po miliardach lat astronauta Alan Shepard podniósł ją i zabrał z powrotem na Ziemię.

Jak powstał Księżyc
Przed misjami statków Apollo naukowcy mieli kilka konkurencyjnych teorii, jak doszło do powstania Księżyca i satelitów innych planet. Być może Ziemia przechwyciła inne ciało niebieskie, które przelatywało zbyt blisko, albo też początkowo nasza planeta wirowała tak szybko, że oddzieliła się od niej pewna część płynnej materii. A może Ziemia i Księżyc uformowały się jednocześnie z początkowego "dysku protoplanetarnego", z którego powstały wszystkie planety Układu Słonecznego? Po misjach Apollo uzyskano jednak zupełnie odmienny obraz.

Zdjęcie 1. Próbka skały księżycowej z misji Apollo.

Najpopularniejszą obecnie teorią pochodzenia Księżyca jest tak zwana hipoteza wielkiego zderzenia. Koncepcja ta, oparta na danych uzyskanych w ramach programu Apollo, głosi, że jakieś 4,5 mld lata temu w Ziemię uderzyło ciało niebieskie rozmiarów Marsa (nazywane Theą), rozpadając się na mniejsze kawałki i wyrzucając część ziemskiej skorupy oraz płaszcza w przestrzeń kosmiczną. Ostatecznie wyrzucony ziemski materiał zmieszał się ze szczątkami Thei, by po skupieniu się i ochłodzeniu utworzyć Księżyc.
Na model ten złożyło się wiele wyników zarówno badań próbek księżycowych, jak i eksperymentów wykonanych na powierzchni Księżyca, m.in.:

Żelazo: Księżyc zawiera zaskakująco mało żelaza. Powierzchniowe eksperymenty geofizyczne przeprowadzone podczas wypraw Apollo wykazały, że w porównaniu z planetami typu ziemskiego jądro Księżyca stanowi niewielką część jego objętości - jego promień to zaledwie 25% całkowitego promienia. Względny brak żelaza, na który wskazują niewielkie rozmiary jądra Księżyca, może świadczyć o tym, że gdy nastąpiło gigantyczne zderzenie, we wnętrzu Ziemi zdążyło się już uformować bogate w żelazo jądro, pozostawiając niewiele żelaza w materiale, z którego powstał Księżyc.

Suchość: Próbki księżycowe okazały się skrajnie suche i niemal całkowicie pozbawione substancji lotnych - atomów i cząsteczek o niskiej temperaturze wrzenia, które łatwo przechodzą w stan gazowy, jak woda, dwutlenek węgla, azot i wodór. Naukowcy wyjaśniają to w ten sposób, że olbrzymia ilość energii cieplnej wytworzona podczas wielkiej kolizji sprawiła, że wszelkie takie substancje ulotniły się z materii, która potem skupiła się w proto-Księżyc.

Ocean magmy: Jedną z najbardziej wpływowych hipotez sformułowanych na podstawie badań próbek księżycowych jest ta, że bezpośrednio po uformowaniu się Księżyca istniał na nim ocean magmy. Próbki z Apollo 11 wykazały, że księżycowe płaskowyże (jasne, wysoko położone obszary w przeciwieństwie do ciemnych mórz księżycowych na nizinach) mają wysoką zawartość minerałów zwanych plagioklazami. Tekstura skał, w których występuje ten minerał, wskazuje na to, że uformowały się one z dużej objętości płynnej skały i kryształy plagioklazów jako lżejsze wypłynęły na powierzchnię. Ponieważ analogiczne skały zostały znalezione przez wcześniejsze misje bezzalogowe, a płaskowyże występują na Księżycu powszechnie, warstwa magmy musiała pokrywać większość, jeśli nie całość, księżycowej powierzchni. Dwa zespoły badaczy niezależnie od siebie wysunęły tę ideę pradawnego oceanu magmowego w 1970 roku, w zaledwie sześć miesięcy po sprowadzeniu na Ziemię pierwszych próbek Apollo. Model ten potwierdzają również inne badania geochemiczne oraz geofizyczne i jest on rozwijany do dnia dzisiejszego.

Jedyną rzeczą, która nastręcza trudności w modelu wielkiego zderzenia, jest zawartość różnych izotopów - atomów pierwiastka, które mają inną masę niż atomy "zwykłe" w próbkach Apollo. Stosując metodę zwaną fluorynacją laserową, w 2001 i 2002 roku badacze stwierdzili, że skład izotopowy zarówno tlenu, jak i tytanu, na Księżycu i na Ziemi jest niemal identyczny. Skoro Księżyc powstał ze zmieszanej materii Ziemi i Thei, dlaczego miałby mieć skład izotopowy typowy dla Ziemi? Odkrycie to dało asumpt do powstania nowych koncepcji, jak model "synestii", opisany przez planetologów Simona Locka i Sarah Stewart (Historia narodzin Księżyca).

Dzieje Układu Słonecznego
Próbki księżycowe dostarczyły również danych o innych ciałach planetarnych. Bodaj najistotniejszym rezultatem jest model nicejski ewolucji Układu Słonecznego (nazwany tak od francuskiego miasta Nicei, gdzie powstał). Według tego modelu, planety olbrzymy zewnętrznego Układu Słonecznego początkowo formowały się blisko siebie. Po upływie kilkuset milionów lat ich orbity stały się niestabilne, w wyniku czego Saturn, Uran i Neptun szybko przemieściły się na swoje obecne orbity położone znacznie dalej od Słońca. W trakcie tego procesu planety olbrzymy przyciągały materię z bardziej odległych rejonów Układu Słonecznego - Pasa Kuipera - ku jego środkowi, gdzie zderzała się ona z planetami i ich księżycami, powodując generalny chaos.

Zdjęcie 2. Próbka skały księżycowej z misji Apollo.

Model ten może się wydawać zbyt naciągany, niemniej pozwala elegancko wyjaśnić wiele pozornie niemających ze sobą związku obserwacji dotyczących naszego kosmicznego otoczenia. Na przykład na podstawie datowania próbek Apollo i analiz kraterów uderzeniowych naukowcy doszli do wniosku, że około 700 mln lat po uformowaniu się planet nastąpił kataklizmiczny wzrost liczby meteorytów spadających na Księżyc, nazywany "wielkim bombardowaniem". Początkowo nie dysponowano żadnym prostym wyjaśnieniem takiego gwałtownego skoku liczby meteorytów. Natomiast era chaosu występująca w modelu nicejskim dobrze tłumaczy, skąd wzięły się setki ciał uderzających w Księżyc właśnie w tym okresie.
Oprócz dostarczenia informacji o ewolucji Układu Słonecznego próbki księżycowe umożliwiły również naukowcom badanie ewolucji chemicznej powierzchni planet. "Kosmiczne erodowanie" to proces fizycznej i chemicznej erozji na globach pozbawionych atmosfery. W próbkach gruntu księżycowego pobranych podczas misji Apollo znaleziono aglutynaty, stopione szkło i fragmenty mineralne powstałe w konsekwencji uderzeń drobin pyłu o mikroskopijnych rozmiarach. Aglutynaty te narastają z czasem i mogą stanowić od 60% do 70% próbek regolitu w jego późnym stadium. W wyniku erodowania kosmicznego powstają również mikrokuleczki żelaza w stanie wolnym, zwane żelazem nanofazowym. które gromadzą się na obrzeżach niektórych ziarenek gruntu, co sprawia, że powierzchnia z czasem nabiera ciemniejszej barwy. Obecnie wiemy, że promieniowanie słoneczne, duże fluktuacje temperatury i nieustanne bombardowanie mikrometeorytami należą do głównych czynników erodowania kosmicznego.

Obecnie selenologia wchodzi w nową fazę, gdyż NASA udostępniła część próbek, przechowywanych do tej pory w zamknięciu, odkąd je zebrano prawie 55 lat temu. Zostały one celowo zapieczętowane, aż techniki badawcze zostaną istotnie udoskonalone w porównaniu z tymi, jakimi dysponowano w czasach Apollo. W marcu 2019 roku w ramach programu Apollo Next Generation Sample Analysis (ANGSA) (Analiza próbek Apollo następnej generacji) wyselekcjonowano dziewięć zespołów badawczych, które otrzymają próbki z Apollo 15, 16 i są do tej pory przechowywane w jeszcze nieotwartych hermetycznych pojemnikach. Sposobność badania "nowych" próbek księżycowych niewątpliwie zaowocuje kolejnymi fundamentalnymi odkryciami dotyczącymi powstania i ewolucji naszego naturalnego satelity.

Zdjęcie 3. Próbka skały księżycowej z misji Apollo z widoczną wewnętrzną strukturą.

Niezależnie od tego, ile dowiedziano się z próbek Apollo i eksperymentów wykonanych na powierzchni Księżyca, jak i tego, ile naukowcy dowiedzą się z analizy próbek dotąd niezbadanych, dramatycznie potrzeba nowych. Na przykład naukowcy nie posiadają żadnych próbek z niewidocznej półkuli Księżyca, z obszarów okołobiegunowych ani z wnętrza głębokich kraterów. Dwa rodzaje próbek, które szczególnie naukowcy pragnęliby mieć, to materiał z Basenu Biegun Południowy-Aitken po drugiej stronie Księżyca oraz lód z któregoś z kraterów okołobiegunowych.
Basen Biegun Południowy-Aitken to największy ze znanych kraterów uderzeniowych na Księżycu - i jeden z największych w całym Układzie Słonecznym - jego wnętrze może zawierać materiał z głębszych warstw skorupy, a nawet płaszcza Księżyca. Badania Basenu Biegun Południowy-Aitken pomogłyby nam także zrozumieć, jak skrajnie wielkie kratery oddziałują na powierzchnie i wnętrza ciał planetarnych. Natomiast zdobycie próbki lodu około-biegunowego pozwoliłoby nam na uzyskanie danych dotyczących wieku i pochodzenia istniejącej na Księżycu wody - co z kolei pomogłoby w wyjaśnieniu, skąd wzięła się woda na Ziemi.

Owe próbki z listy życzeń mogłyby zostać uzyskane przez wyprawy załogowe lub zdalnie sterowane sondy - wśród planetologów nie ma zgody, co do tego, który sposób jest lepszy. Wielu ekspertów twierdzi, całkiem słusznie, że misje bezzałogowe są tańsze, bezpieczniejsze i mogą trwać dłużej niż misje z udziałem człowieka. Można jednak przypuszczać, że ludzie w odróżnieniu od robotów zbiorą bardziej różnorodne i nietypowe materiały, o czym może świadczyć zróżnicowany charakter kolekcji próbek uzyskanych w ramach programu Apollo (skały, wykopany i przesiany grunt, odłamki głazów, rdzenie wiertnicze), rozmaita wielkość próbek i ich cechy geologiczne (skład, rodzaj skały, wiek).
Wyprawy Apollo stanowiły wyjątkowe dokonanie, które fundamentalnie zmieniło nasze postrzeganie Układu Słonecznego. Choć obchodzimy już 55. rocznicę (rok 2024) owego wielkiego osiągnięcia ludzkości, żaden człowiek nie postawił stopy na innym globie od 14 grudnia 1972 roku, gdy Harrison "Jack" Smith i nieżyjący już Gene Cernan wystartowali z powierzchni Księżyca w drogę powrotną podczas wyprawy Apollo 17.

Żródło:
Świat Nauki (Scientific American), 2019 nr 8