I campioni lunari raccolti dagli astronauti dell'Apollo mezzo secolo fa contengono risposte a domande che all'epoca non erano nemmeno nella mente degli scienziati, poiché i nuovi strumenti tecnologici forniscono informazioni su alcuni dei più antichi misteri sulla luna, la terra e il sistema solare.

Il 20 luglio, 1969, mentre l'astronauta dell'Apollo Neil Armstrong scendeva la scala dal modulo di atterraggio lunare "Eagle", si ritrovò circondato da un mare di grigio, una distesa di polvere polverosa che nessun essere umano aveva mai visto di persona. L'iconica stampa del suo stivale sinistro ha segnato il primo passo di un lungo viaggio di scoperta, una scoperta sulla luna e sul nostro mondo, entrambi i quali nascondono segreti che gli scienziati stanno appena iniziando a scoprire.

Cinquant'anni dopo che gli astronauti dell'Apollo hanno raccolto campioni di rocce lunari e polvere durante le loro incursioni attraverso il paesaggio lunare, ci sono ancora misteri da risolvere, e uno scienziato dell'Università dell'Arizona sta cercando risposte. Jessica Barnes, un assistente professore in entrata nel Laboratorio Lunare e Planetario dell'UA, è stato recentemente selezionato dalla NASA per ricevere l'accesso a campioni di roccia lunare preziosamente non aperti.

Nell'ambito dell'analisi del campione Apollo Next Generation della NASA, o ANGSA, programma, A Barnes sarà concesso l'accesso al campione Apollo 17 71036, che contiene quasi quattro once di roccia. Diversi campioni di quella missione sono stati inizialmente processati in condizioni nominali di laboratorio, protetto dall'esposizione all'aria da un armadio di azoto a temperatura ambiente, e sono stati poi riposti in celle frigorifere entro un mese dal rientro.

"Quando questi campioni sono stati riportati indietro, i curatori hanno avuto la lungimiranza di dire, 'in questo momento non abbiamo tutti i metodi per rispondere a tutte le domande che questi campioni potrebbero aiutarci a rispondere' e così ne hanno rinchiusi alcuni per studi futuri, " Dice Barnes. "Si sono resi conto che le tecnologie future ci avrebbero permesso di fare cose che sarebbero state impossibili a quel tempo, e che le persone si sarebbero fatte nuove domande, ed è davvero emozionante perché siamo a quel punto nel tempo adesso".

Barnes sta cercando di scoprire da dove proveniva l'acqua nel primo sistema solare e come si è evoluta nel tempo. Ricerca precedente, compresi alcuni dei suoi lavori, suggerisce che alcune rocce spaziali note come condriti carboniose portassero con sé dell'acqua quando colpirono la Terra e Marte, e potenzialmente alcuni degli asteroidi più grandi. Non è un caso che Bennu, l'asteroide bersaglio della missione di ritorno del campione OSIRIS-REx guidata da UA, è una condrite carboniosa.

Segui l'acqua

"Per capire da dove viene l'acqua nel sistema solare, e soprattutto come è finita sulla Terra, Marte, e nella cintura degli asteroidi, dobbiamo considerare la luna, "dice Barnes, la cui ricerca attuale si concentra sul tracciamento di meteoriti d'acqua, compresi alcuni di origine marziana, e campioni lunari raccolti durante l'Apollo 11, 14, e 17. "Capire come è iniziata la vita sulla Terra è intimamente legato alla storia di come l'acqua è arrivata qui. I campioni lunari sono pezzi fondamentali in questo puzzle perché a differenza della Terra, dove le rocce più antiche sono state in gran parte cancellate dalla tettonica a zolle, l'antico record di roccia della luna è ancora intatto."

Circa 4,6 miliardi di anni fa, quando una vorticosa nebulosa di gas e polvere iniziò a collassare in un disco che avrebbe dato origine al nostro sistema solare, i pianeti rocciosi e le condriti carboniose si sviluppavano in luoghi e tempi diversi, Barnes spiega, il che pone un problema per lo scenario che coinvolge i primi asteroidi come precursori dell'acqua.

"Solo 10 anni fa è stata scoperta l'acqua sulla luna, non solo in superficie, ma anche all'interno di minerali, " dice Barnes. "Nella scienza, è un lasso di tempo piuttosto breve, e non abbiamo ancora capito tutto. Quanta acqua c'è? È venuto dalla Terra durante il grande impatto che pensiamo abbia creato la luna, o è stato dato alla luna più tardi? È distribuito uniformemente o a chiazze all'interno del mantello lunare?"

Per trovare risposte a tali domande, Barnes, che non era nemmeno nato quando gli astronauti dell'Apollo attraversarono a piedi e con i loro rover la superficie lunare, utilizza una tecnologia che non è stata inventata fino ai primi anni 2000.

"Quando ricevi per la prima volta il tuo campione, non sai cosa stai guardando, quindi inizi con un'analisi visiva, " Tom Zega dice, indicando un semplice microscopio da dissezione, come quelli usati nei laboratori di scienze introduttivi. Zega è professore associato di scienze planetarie, e scienza e ingegneria dei materiali, e co-investigatore del progetto ANGSA. È anche direttore della Kuiper Materials Imaging and Characterization Facility presso LPL, una struttura all'avanguardia progettata con un obiettivo:estrarre quante più informazioni dai campioni, sia terrestre che extraterrestre, il più possibile.

Lo studio di un pezzo di roccia lunare al microscopio ottico è solo il primo passo di una serie di tecniche analitiche che i ricercatori UA hanno a loro disposizione. Alla fine c'è un microscopio elettronico a trasmissione alto 12 piedi, o TEM. Finanziato dalla National Science Foundation e dalla NASA, il suo numero di serie è "1" perché è il primo del suo genere al mondo con questa esatta configurazione. Sono 200, Il fascio di elettroni da 000 volt può sondare la materia fino a 78 picometri, scale troppo piccole per essere comprese dal cervello umano.

"Se vuoi sapere che aspetto ha un atomo della nascita del nostro sistema solare, Posso mostrarti, " dice Zega. Per ottenere un campione in cui rinuncia a quel dettaglio della sua origine e della sua storia, però, richiede una serie di strumenti complessi e competenze che nessuna singola disciplina può fornire.

"Oggi, tutta la scienza interessante avviene all'intersezione di vari campi, " dice Zega. "Nel mio gruppo abbiamo dei cosmochimici, chimici quantistici, astrofisici e astrodinamica, tra gli altri. Questo lavoro richiede un mix unico di conoscenze e abilità. Prendi il TEM, per esempio:è uno strumento quanto-meccanico, quindi devi essere un esperto di fisica, scienza dei materiali e chimica allo stesso tempo."

A Nano-scale Excavator

Another instrument, called an electron microprobe, allows researchers to discover certain properties of a sample by scanning it with an electron beam. Come fa, a spatial image of the sample emerges, in this case revealing an abstract, speckled landscape of light and dark areas that cosmochemists can read like a map.

"Heavier elements appear brighter, and lighter elements appear darker, " Zega says. "So this tells us, Per esempio, where and how much iron there is compared to oxygen in a lunar sample."

Applying the same principle but scanning a sample with x-rays instead of electrons reveals a little more. When Barnes moves to the UA this fall, after wrapping up her current research at NASA's Johnson Space Center, she hopes to be able to expand the capacities of the Kuiper Materials Imaging and Characterization Facility with a next-generation NanoSIMS instrument, which stands for nanoscale secondary ion mass spectrometry.

The beauty of this technology, dice Barnes, lies in its ability to analyze isotopes, essentially different "varieties" of chemical elements, at very small scales, less than one-fiftieth the width of a human hair. Measuring the composition of different volatile elements such as hydrogen and chlorine in the rock tells the researcher something about the chemical make-up of the magma from which the rock crystallized and how its chemistry evolved over time.

"These data allow us to understand the chemistry of the moon's interior, " she says. "Ultimately we are able to say something about how the moon evolved and where its water came from."

The possibilities don't end here. To a curator during the Apollo days, a focused ion-beam scanning electron microscope, or FIB-SEM, would have sounded like utter science fiction:By smashing the bonds between atoms inside the sample with a beam of heavy gallium ions, the instrument works essentially like a nano scale excavator, Zega explains.

"Except that compared to other FIBs, which act like shovels, this one is a scalpel, " lui dice.

FIB-SEM allows scientists to cut out tiny pieces from a sample with high precision and analyze only those pieces. This technique recently enabled Zega's team to discover a grain of dust forged in the death throes of a star long before our solar system was born.

Untouched Samples

"What we want to know from our samples is, how well do they conform to how we think the solar system formed based on astrophysical models?" Zega says.

The same applies to the origin of the moon, Barnes says.

"It's not just analytical instruments that have improved. In the last 10 years major advancements in impact simulations and numerical modeling have allowed the community to simulate the speed, size and number of the bodies that might have been involved in creating the Earth-moon system."

Analyzing samples from extraterrestrial bodies goes beyond the origins of the Earth and the moon, Certo. They are critical pieces in the puzzle because they allow scientists to test hypotheses about formation processes in the solar system based on simulations and models.

"We have had lunar samples here for decades, " says Timothy Swindle, director of the LPL. "Our faculty have been studying the composition of the moon for a long time, and what's so special about these samples is that they were valuable 50 years ago, and they will be valuable 50 years from now."

When asked what the Apollo samples can tell us 50 years later, Barnes says:"Being able to study these previously unopened samples is like a whole new lunar sample return mission. Not only do we get to be a part of the history of opening these samples, but we also will be using this opportunity to study how curation practices, such as ambient versus cold storage, affect our ability to measure a lunar water signature.

"It's exciting because this has never been done before."