До недавнего времени преобладающее мнение среди ученых заключалось в том, что лунная вода имеет два источника: значительная ее часть была доставлена кометами, а основная – образовалась на Луне благодаря воздействию солнечного ветра. Однако результаты свежего исследования заставили планетологов пересмотреть эту точку зрения. Ученые подтвердили наличие на Луне воды кометного происхождения, но отметили, что радиация, вероятно, не оказала существенного влияния на ее формирование. Вместо этого, похоже, большая часть лунной воды имеет общее происхождение с материалом, из которого образовалась Земля.
Воду в лунном грунте обнаружили сразу после доставки образцов на Землю, как американскими астронавтами, так и советскими автоматическими станциями «Луна-16», «Луна-20» и «Луна-24». Первоначально эти данные не были приняты во внимание из-за подозрений в земном загрязнении. Однако, спустя много лет, данные нескольких спутниковых аппаратов подтвердили наличие значительных запасов воды на Луне. Следует отметить российский детектор «ЛЕНД», установленный на борту Lunar Reconnaissance Orbiter, который позволил создать карту лунных ледяных отложений. Именно после этого космические державы проявили интерес к идее создания постоянных баз в лунной мерзлоте в районе Южного полюса.
На дне лунных полярных кратеров, в условиях вечной темноты, вода присутствует в виде отдельных ледяных частиц. Однако, даже на освещенных участках поверхности, молекулы воды также обнаруживаются, хотя и не существуют в свободной форме, а включены в кристаллическую структуру минералов, составляющих грунт. Этот процесс называется гидратацией пород. Анализ лунных образцов, доставленных на Землю, показал наличие гидратации – пусть и в меньшей степени, чем у земных пород, но это свидетельствует о том, что Луна не является абсолютно безводной.
Полученный грунт, весом в сотни килограммов, не был сразу использован для анализа. Его основную массу «законсервировали» и оставили до появления более совершенных исследовательских методов. Поэтому обращаются к нему и по сей день, извлекая небольшими порциями, поскольку даже несколько граммов могут быть достаточными для совершения значимых открытий.
Ученые из Калифорнийского университета в Сан-Диего (США) и Эдинбургского университета (Великобритания) проанализировали образцы лунного грунта, доставленные в рамках программы «Аполлон». Для исследования были использованы девять различных образцов, полученных во время миссий «Аполлон-11», «Аполлон-12», «Аполлон-14» и «Аполлон-17». Эти образцы были собраны в Море Спокойствия, Океане Бурь, кратере Фра Мауро, расположенном у Моря Познанного, и в долине Тельца-Литтроу на границе Моря Ясности.
Целью исследования являлось извлечение воды из минералов грунта и анализ ее состава. Для этого грунт нагревали последовательно: до 50°C, затем до 150°C и, наконец, до 1000°C. В процессе нагрева вода высвобождалась постепенно: некоторая доля воды испарялась уже при небольшом повышении температуры, в то время как для высвобождения других молекул требовалась температура в 1000°C. Полученные результаты указывают на то, что лунная вода существует в двух формах: одна лишь слабо взаимодействует с минералами, а другая – прочно удерживается в их структуре.
Добытые лунные молекулы воды сопоставляли с образцами воды из земных пород и метеоритах, преимущественно хондритах — наиболее распространенном типе метеоритов, характеризующихся наличием мелких, округлых включений, называемых хондрами. Сравнение проводилось на основе анализа изотопного состава кислорода, входящего в состав молекул воды. Существуют три стабильных изотопа кислорода: кислород-16, кислород-17 и кислород-18, отличающиеся друг от друга количеством нейтронов в атомных ядрах. В земной воде преобладает кислород-16, содержание кислорода-17 и кислорода-18 в ней крайне мало. В образцах внеземного происхождения наблюдается иная картина, причем соотношение этих изотопов варьируется в зависимости от типа вещества.
Результаты сравнительного исследования были получены учеными поделились в статье для журнала Proceedings of the National Academy of Sciences. Согласно полученным данным, по изотопному соотношению кислорода большая часть лунной воды имеет наибольшее сходство с водой, содержащейся в энстатитовых хондритах – редких метеоритах, демонстрирующих характеристики, близкие к земным материалам. В этих метеоритах содержание кислорода соответствует земному. Существует предположение, что подобные горные породы сыграли значительную роль в формировании Земли на ранних этапах развития Солнечной системы и послужили источником большей части её воды.
Согласно мнению ученых, выявление схожести лунного грунта и данных метеоритов указывает на два фактора: лунная вода преимущественно имеет земное происхождение и Земля, вероятно, получила её от энстатитовых хондритов.
По словам планетологов, в «аполлоновских» образцах обнаружено значительное количество воды кометного происхождения. Однако воды, образующейся под воздействием солнечной радиации, оказалось меньше, чем предполагалось. Дело в том, что поток протонов, постоянно поступающий от Солнца, требует для превращения в атомы водорода всего лишь один электрон, что и происходит на поверхности Луны. Затем этот водород взаимодействует с атомами кислорода, которых в лунном грунте в изобилии, формируя молекулы воды (H2O.
Ранее многие ученые полагали, что именно этот процесс является основным источником лунной воды. Однако возникла проблема: в таком случае кислород, входящий в состав этой воды, должен был бы соответствовать кислороду, содержащемуся во всем лунном грунте. Новое исследование продемонстрировало, что кислород в основном имеет иное происхождение.
Ученые-планетологи отметили неожиданное обилие воды лунного происхождения, поскольку ранее считалось, что Земля сформировала свой естественный спутник из остатков столкновения с небесным телом, сравнимым по размерам с Марсом. Согласно общепринятой гипотезе, удар такой силы должен был привести к испарению всей воды, содержащейся в выброшенном веществе. Однако, последние данные свидетельствуют об обратном.
Naked Science ранее освещал альтернативные теории образования Луны — мультиимпактной. В ее рамках основная часть лунного материала — выбитые из Земли астероидами обломки. Поскольку энергия ударов астероидов несопоставимо меньше, чем при соударении планет, такие обломки не расплавлялись и могли доставить на Луну земную воду.