Анализ лунного камня, привезенного на Землю в рамках миссий «Аполлон», позволил пересмотреть существующие знания о химии естественного спутника: в нем впервые был обнаружен титан в нестандартной форме. Полученные данные позволяют оценить степень дефицита кислорода в древней лунной колыбели и понять особенности формирования ее внутренних слоев.
Лунные базальты, представляющие собой затвердевшую лаву, образовавшуюся в результате древних извержений, содержат информацию о внутреннем устройстве естественного спутника Земли. Особую ценность представляют высокотитановые базальты, в которых значительное количество титана находится в ильмените (FeTiO₃). На основе анализа его состава исследователи определяют температуру и окислительно-восстановительные условия (FO₂), существовавшие во время кристаллизации лавы. Предполагается, что Луна образовалась в более восстановительной среде, чем Земля, однако убедительных подтверждений некоторых химических особенностей, например, наличия трехвалентного титана (Ti³⁺), до сих пор не было получено.
После анализа небольшого образца горной породы, возраст которого составляет приблизительно 3,8 миллиарда лет (образец 75035, доставленный миссией «Аполлон-17») с применением электронно-микроскопических и спектроскопических методов, ученым удалось исследовать атомную структуру и установить валентность определенных элементов. В результате выяснилось, что ильменит, содержащийся в породе, характеризуется повышенным содержанием титана, причем около 13 процентов находится в виде Ti³⁺, а не в более распространенной форме Ti⁴⁺.
Наличие этой незначительной химической особенности служит прямым доказательством: для поддержания электрической стабильности в кристалле некоторые атомы железа и титана претерпевают изменения в расположении, что приводит к отклонению структуры минерала от его общепринятой формулы. Фактически, магма Луны, из которой сформировался минерал, обладала более «восстановительной» средой, чем это отражено в существующих моделях.
Установить эту взаимосвязь стало возможным благодаря соотнесению концентрации Ti³⁺ с показателем кислородной фугитивности, который характеризует степень доступности кислорода в магме. Сравнив результаты экспериментов с полученными измерениями, авторы исследования, опубликованной в журнале Nature Communications, пришли к выводу, что кристаллизация произошла при температуре значительно ниже граничного значения вюстита (IW) представляет собой стандарт, используемый для определения окислительно-восстановительного потенциала. Это соответствует другим независимым оценкам для Луны, однако обеспечивает более точный метод измерения.
Полученные данные свидетельствуют о том, что данный тип титана может обнаруживаться не только в отдельных образцах. Изучение базы данных лунных минералов указывает на то, что Ti³⁺ потенциально присутствует во многих породах, однако ранее не представлялось возможным его зафиксировать. Следовательно, Ti³⁺ имеет магматическое происхождение и не является продуктом космической эрозии. Кроме того, ильменит может служить своеобразным «геохимическим термометром и барометром», позволяющим определить параметры формирования не только на Луне, но и на других небесных телах с дефицитом кислорода.
В конечном счете, микроскопическая деталь, на атомном уровне, становится инструментом для изучения планет: по концентрации Ti³⁺ исследователи смогут реконструировать условия, существовавшие в недрах небесных тел миллиарды лет назад. Таким образом, образцы, доставленные в рамках старых лунных миссий, и дальше будут приносить новые сведения — благодаря тому, что теперь мы научились формулировать точные вопросы.